Заземляющие устройства - Расчет заземляющих устройств

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

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

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

 
 
Таблица 8-6

Коэффициенты использования К и,г,зм горизонтальных соединительных электродов,
в ряду из вертикальных электродов

Таблица 8-7

Коэффициенты использования К и,г,зм вертикальных соединительных электродов
в контуре из вертикальных электродов

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

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.