|
Страница 3 из 4
8-8. РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Расчет заземляющих устройств сводится главным образом к расчету собственно заземлителя, так как заземляющие проводники в большинстве случаев принимаются по условиям механической прочности и стойкости к коррозии по ПТЭ и ПУЭ. Исключение составляют лишь установки с выносным заземляющим устройством. В этих случаях рассчитываются последовательно включаемые сопротивления соединительной линии и заземлителя, так, чтобы их суммарное сопротивление не превышало допустимого.
Следует особо выделить вопросы расчета заземляющих устройств для заполярных и северо-восточных районов нашей страны. Для них характерны многомерзлые грунты, имеющие удельное сопротивление поверхностных слоев на один - два порядка выше, чем в обычных условиях средней полосы СССР.
Расчет сопротивления заземлителей в других районах СССР производится в следующем порядке:
1. Устанавливается необходимое по ПУЭ допустимое сопротивление заземляющего устройства r зм. Если заземляющее устройство является общим для нескольких электроустановок, то расчетным сопротивлением заземляющего устройства является наименьшее из требуемых.
2. Определяется необходимое сопротивление искусственного заземлителя с учетом использования естественных заземлителей, включенных параллельно,из выражений
или
 (8-14)
где r зм -допустимое сопротивление заземляющего устройства по п. 1, R и-сопротивление искусственного заземлителя; R е-сопротивление естественного заземлителя. Определяется расчетное удельное сопротивление грунта  расч с учетом повышающих коэффициентов, учитывающих высыхание грунта летом и промерзание зимой.
При отсутствии точных данных о грунте можно воспользоваться табл. 8-1, где приведены средние данные по сопротивлениям грунтов, рекомендуемые для предварительных расчетов.
Таблица 8-1
Средние удельные сопротивления грунтов и вод, рекомендуемые для предварительных расчетов
Грунт |
Удельное
сопротивление
 , Ом*м |
Грунт |
Удельное
сопротивление
 , Ом*м |
Глина (слой 7-10 м, далее скала, гравий) |
70 |
Скала |
4000 |
Глина каменистая (слой 1-3 м, далее гравий) |
100 |
Суглинок |
100 |
Земля садовая |
50 |
Супесь |
300 |
Известняк |
2000 |
Торф |
20 |
Лёсс |
250 |
Чернозем |
30 |
Мергель |
2000 |
Вода:
- грунтовая
- морская
- прудовая
- речная |
50
3
50
100 |
Песок |
500 |
Песок крупнозернистый с валунами |
1000 |
Примечание. Удельные сопротивления грунтов определены при влажности 10-20% к массе грунта
Измерение удельного сопротивления для получения более надежных результатов производят в теплое время года (май - октябрь) в средней полосе СССР. К измеренному значению удельного сопротивления грунта в зависимости от состояния грунта и от количества осадков вводятся поправочные коэффициенты к, учитывающие изменение вследствие высыхания и промерзания грунта, т. е.  расч =  к
Значения к, рекомендованные ВЭИ для средней полосы СССР, приведены в табл. 8-8; для других климатических зон они принимаются по данным табл. 8-2.
4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода R в.о. формулам табл. 8-3. Эти формулы даны для стержневых электродов из круглой стали или труб.
При применении вертикальных электродов из угловой стали в формулу вместо диаметра трубы подставляется эквивалентный диаметр уголка, вычисленный по выражению
 (8-15)
где b - ширина сторон уголка.
5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования
 (8-16)
где R в.о. - сопротивление растеканию одного вертикального электрода, определенное в п. 4; R и - необходимое сопротивление искусственного заземлителя; К и,в,зм - коэффициент использования вертикальных заземлителей.
Таблица 8-2
Значение повышающего коэффициента к для различных климатических зон
Данные, характеризующие климатические зоны и тип применяемых электродов |
Климатические зоны СССР |
1 |
2 |
3 |
4 |
1. Климатические признаки зон: |
Средняя многолетняя низшая температура (январь), С |
от - 20
до - 15 |
от - 14
до - 10 |
от - 10
до 0 |
от 0
до + 5 |
Средняя многолетняя низшая температура (июль), С |
от +16
до +18 |
от +18
до +22 |
от +22
до +24 |
от +24
до +26 |
Среднегодовое количество осадков, см |
40 |
50 |
50 |
30-50 |
Продолжительность замерзания вод, дни |
190-170 |
150 |
100 |
0 |
2. Значение коэффициента к: |
При применении стержневых электродов длиной 2 - 3 м и при глубине заложения их вершины 0,5 - 0,8 м |
1,8-2 |
1,5-1,8 |
1,4-1,6 |
1,2-1,4 |
При применении протяженных электродов и при глубине заложения 0,8 м |
4,5-7,0 |
3,5-4,5 |
2,0-2,5 |
1,5-2,0 |
Коэффициенты использования вертикальных заземлителей даны в табл. 8-4 при расположении их в ряд и в табл. 8-5 при размещении их по контуру
6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов Rг по формулам табл. 8-3. Коэффициенты использования горизонтальных электродов для предварительно принятого числа вертикальных электродов принимаются по табл. 8-6 при расположении вертикальных электродов в ряд и по табл. 8-7 при расположении вертикальных электродов по контуру.
7. Уточняется необходимое сопротивление вертикальных электродов с учетом проводимости горизонтальных соединительных электродов из выражений
 (8-17)
или
где R г - сопротивление растеканию горизонтальных электродов, определенное в п.6; R и - необходимое сопротивление искусственного заземлителя.
Таблица 8-3
Формулы для определения сопротивления растеканию тока различных заземлителей
Тип заземлителя |
Расположение заземлителя |
Формула |
Примечание |
Вертикальный, из круглой стали, верхний конец у поверхности земли
Вертикальный, из круглой стали, верхний конец ниже уровня земли
Горизонтальный, из полосовой стали, протяженный, ниже уровня земли
Пластинчатый, вертикальный, ниже уровня земли
Кольцевой, из полосовой стали, горизонтальный, ниже уровня земли |
|
Таблица 8-4 |
Таблица 8-5 |
Коэффициенты использования вертикальных заземлителей, К и,в,зм, размещенных в ряд, без учета влияния горизонтальных электродов связи |
Коэффициенты использования вертикальных заземлителей, К и,в,зм, размещенных по контуру, без учета влияния горизонтальных электродов связи |
Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине |
Число вертикальных электродов |
К и,в,зм, |
1 |
4
6
10
20
40
60
100 |
0,66-0,72
0,58-0,65
0,52-0,58
0,44-0,50
0,38-0,44
0,36-0,42
0,33-0,39 |
2 |
4
6
10
20
40
60
100 |
0,76-0,80
0,71-0,75
0,66-0,71
0,61-0,66
0,55-0,61
0,52-0,58
0,49-0,55 |
3 |
4
6
10
20
40
60
100 |
0,84-0,86
0,78-0,82
0,74-0,78
0,68-0,73
0,64-0,69
0,62-0,67
0,59-0,65 |
Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине |
Число вертикальных электродов |
К и,в,зм, |
1 |
2
3
5
10
15
20 |
0,84-0,87
0,76-0,80
0,67-0,72
0,56-0,62
0,51-0,56
0,47-0,50 |
2 |
2
3
5
10
15
20 |
0,90-0,92
0,85-0,88
0,79-0,83
0,72-0,77
0,66-0,73
0,65-0,70 |
3 |
2
3
5
10
15
20 |
0,93-0,95
0,90-0,92
0,85-0,88
0,79-0,83
0,76-0,80
0,74-0,79 |
Таблица 8-6
Коэффициенты использования К и,г,зм горизонтальных соединительных электродов,
в ряду из вертикальных электродов
Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине |
Число вертикальных электродов в ряду |
4 |
5 |
6 |
10 |
20 |
30 |
50 |
65 |
1 |
0,77 |
0,74 |
0,67 |
0,62 |
0,42 |
0,31 |
0,21 |
0,20 |
2 |
0,89 |
0,86 |
0,79 |
0,75 |
0,56 |
0,46 |
0,36 |
0,34 |
3 |
0,92 |
0,90 |
0,85 |
0,82 |
0,68 |
0,58 |
0,49 |
0,47 |
Таблица 8-7
Коэффициенты использования К и,г,зм вертикальных соединительных электродов
в контуре из вертикальных электродов
Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине |
Число вертикальных электродов в контуре |
4 |
6 |
8 |
10 |
20 |
30 |
50 |
70 |
100 |
1 |
0,45 |
0,40 |
0,36 |
0,34 |
0,27 |
0,24 |
0,21 |
0,20 |
0,19 |
2 |
0,55 |
0,48 |
0,43 |
0,40 |
0,32 |
0,30 |
0,28 |
0,26 |
0,24 |
3 |
0,70 |
0,64 |
0,60 |
0,56 |
0,45 |
0,41 |
0,37 |
0,35 |
0,33 |
8. Уточняется число вертикальных электродов с учетом коэффициентов использования по табл. 8-4 и 8-5:
Окончательно принимается число вертикальных электродов из условий размещения.
9. Для установок выше 1000 В с большими токами замыкания на землю проверяется термическая стойкость соединительных проводников по формуле (8-11).
Пример 1. Требуется рассчитать контурный заземлитель подстанции 110/10 кВ со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 110 кВ - 3,2 кА, наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 10 кВ - 42 А; грунт в месте сооружения подстанции - суглинок; климатическая зона 2; дополнительно в качестве заземления используется система тросы - опоры с сопротивлением заземления 1,2 Ом.
Решение 1. Для стороны 110 кВ требуется сопротивление заземления 0,5 Ом, Для стороны 10 кВ по формуле (8-12) имеем:
где расчетное напряжение на заземляющем устройстве Uрасч принято равным 125 В, так как заземляющее устройство используется также и для установок подстанции напряжением до 1000 В.
Таким образом, в качестве расчетного принимается сопротивление rзм = 0,5 Ом.
2.Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использования системы тросы-опоры
3. Рекомендуемое для предварительных расчетов удельное сопротивление грунта в месте сооружения заземлителя (суглинка) по табл. 8-1 составляет 1000 Ом м. Повышающие коэффициенты к для горизонтальных протяженных электродов при глубине заложения 0,8 м равны 4,5 и соответственно 1,8 для вертикальных стержневых электродов длиной 2 - 3 м при глубине заложения их вершины 0,5 - 0,8 м.
Расчетные удельные сопротивления: для горизонтальных электродов  расч.г = 4,5х100 = 450 Ом м; для вертикальных электродов  расч.в= 1,8х100 = 180 Ом м.
4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода - уголка № 50 длиной 2,5 м при погружении ниже уровня земли на 0,7 м по формуле из табл. 8-3:
где d= d y,эд= 0,95; b = 0,95x0,95 = 0,0475 м; t =0,7 + 2,5/2 = 1,95 м;
5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования К и,в,зм = 0,6 :
6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов (полосы 40х4 мм2), приваренных к верхним концам уголков. Коэффициент использования соединительной полосы в контуре К и,г,зм при числе уголков примерно 100 и отношении a/l = 2 по табл. 8-7 равен 0,24.
Сопротивление растеканию полосы по периметру контура (l = 500 м) по формуле из табл. 8-3 равно:
7. Уточненное сопротивление вертикальных электродов
8. Уточненное число вертикальных электродов определяется при коэффициенте использования
К и, г, зм = 0,52, принятом из табл. 8-5 при n = 100 и a/l = 2:
Окончательно принимается 116 уголков.
Дополнительно к контуру на территории устраивается сетка из продольных полос, расположенных на расстоянии 0,8-1 м от оборудования, с поперечными связями через каждые 6 м. Дополнительно для выравнивания потенциалов у входов и въездов, а также по краям контура прокладываются углубленные полосы. Эти неучтенные горизонтальные электроды уменьшают общее сопротивление заземления, проводимость их идет в запас надежности.
9. Проверяется термическая стойкость полосы 40 × 4 мм2.
Минимальное сечение полосы из условий термической стойкости при к. з. на землю в формуле (8-11) при приведенном времени протекания тока к. з. tп = 1,1 равно:
Таким образом, полоса 40 × 4 мм 2 условию термической стойкости удовлетворяет.
Пример 2. Требуется рассчитать заземление подстанции с двумя трансформаторами 6/0,4 кВ мощностью 400 кВА со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыкании на землю на стороне 6 кВ 18 А; грунт в месте сооружения - глина; климатическая зона 3; дополнительно в качестве заземления используется водопровод с сопротивлением растеканию 9 Ом.
Решение. Предполагается сооружение заземлителя с внешней стороны здания, к которому примыкает подстанция, с расположением вертикальных электродов в один ряд длиной 20 м; материал - круглая сталь диаметром 20 мм, метод погружения - ввертывание; верхние концы вертикальных стержней, погруженные на глубину 0,7 м, приварены к горизонтальному электроду из той же стали.
1. Для стороны 6 кВ требуется сопротивление заземления, определяемое формулой (8-12):
где расчетное напряжение на заземляющем устройстве принято равным 125 В, так как заземляющее устройство выполняется общим для сторон 6 и 0,4 кВ.
Согласно ПУЭ сопротивление заземления не должно превышать 4 Ом. Таким образом, расчетным является сопротивление заземления rзм = 4 Ом.
2. Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использования водопровода в качестве параллельной ветви заземления
3. Рекомендуемое для расчетов сопротивление грунта в месте сооружения заземления (глина) по табл. 8-1 составляет 70 Ом*м. Повышающие коэффициенты к для 3-й климатической зоны по табл. 8-2 принимаются равными 2,2 для горизонтальных электродов при глубине заложения 0,7 м и 1,5 для вертикальных электродов длиной 2-3 м при глубине заложения их верхнего конца 0,5-0,8 м.
Расчетные удельные сопротивления грунта:
для горизонтальных электродов  расч.г = 2,2 × 70 = 154 Ом*м;
для вертикальных электродов  расч.в= 1,5х70 = 105 Ом*м.
4. Определяется сопротивление растеканию одного стержня диаметром 20 мм, длиной 2 м при погружении ниже уровня земли на 0,7 м по формуле из табл. 8-3:
5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования К и. г. зм = 0,9
6. Определяется сопротивление растеканию горизонтального электрода из круглой стали диаметром 20 мм, приваренного к верхним концам вертикальных стержней.
Коэффициент использования горизонтального электрода в ряду из стержней при числе их примерно 6 и отношении расстояния между стержнями к длине стержнями a/l = 20/5х2 = 2 в соответствии с табл. 8-6 принимается равным 0,85.
Сопротивление растеканию горизонтального электрода определяется по формуле из табл. 8-3 и 8-8:
Таблица 8-8
Коэффициенты повышения сопротивления по отношению к измеренному
удельному сопротивлению грунта (или сопротивлению заземления)
для средней полосы СССР
Заземлители |
Глубина заложения, м |
Поправочный коэффициент |
к1 |
к2 |
к3 |
Углубленные (стержни, уголки, трубы)
Поверхностные (полоса, пластина и т.д.) |
Верхний конец ниже поверхности земли на 0,8 м
0,5
0,8 |
2,0
6,5
3,0 |
1,5
5,0
2,0 |
1,4
4,5
1,6 |
Примечания:1) к 1 применяется, если измеренная величина  (Rх) соответствует примерно минимальному значению (грунт влажный - времени измерений предшествовало выпадение большого количества осадков);
2) к2 применяется, если измеренная величина  (Rх) соответствует примерно среднему значению (грунт средней влажности - времени измерений предшествовало выпадение небольшого количества осадков);
3) к3 применяется, если измеренная величина  (Rх) соответствует примерно наибольшему значению (грунт сухой - времени измерений предшествовало выпадение незначительного количества осадков).
7. Уточненное сопротивление растеканию вертикальных электродов
8. Уточненное число вертикальных электродов определяется при коэффициенте использованияК и. г. зм= 0,83, принятом из табл. 8-4 при n = 5 и a/l= 20/2х4 = 2,5 (n = 5 вместо 6 принято из условия уменьшения числа вертикальных электродов при учете проводимости горизонтального электрода)
Окончательно принимается четыре вертикальных стержня, при этом сопротивление растеканию несколько меньше расчетного.
|
