Групові заземлювачі та заземлювальні пристрої

_____________________________________________________________________________

Групові заземлювачі та їх конфігурація. Заземлювальний пристрій. Мінімальні розміри заземлювачів і заземлювальних провідників, які прокладені в землі.Комбінований заземлювач. Виносне і контурне заземлення.

Частіше використовуються групові заземлювачі – складні заземлювачі із декількох зосереджених, прокладених в землі паралельно один одному (у вертикальних або у горизонтальних площинах).

Взаємне розташування (конфігурація) заземлювачів може бути різноманітна: ряд, прямокутник, квадрат, коло тощо (рис. 4.5). Найбільш поширена схема має три вертикальні заземлювачі (електроди), які виконані у вигляді стрижнів діаметром 10 –14 мм, довжину 3 –5 м або кутиків. Раціонально їх поміщувати в землю після отримання будівельного котловану.

Для металевого з’єднання вертикальних електродів між собою використовують стальну полосу (штабову сталь) перерізом не менше 4´12 мм або пруток (дріт “катанку”) діаметром не менше 10 мм. Це з’єднання здійснюється тільки способом зварювання.

Для зменшення взаємного екранування зосереджених заземлювачів необхідно дотримуватися умови: відношення відстані між вертикальними електродами (а) до довжини електроду (L) повинно бути не менше 0,5 або не менше 1, в залежності від конфігурації заземлювачів:

                                            а / L³ 0,5^а / L³1,                                                   (4.20)

де символ ^ означає сильну диз’юнкцію (логічне “або…або”).

При відсутності природного заземлювача, використовують штучні заземлювачі. Якщо в електроустановках  напругою до 1 кВ з ізольованою нейтраллю опір одиночного заземлювача R₁більше нормативного опору R_н. штучного заземлювача (R₁> R_н = 4 Ом), то використовують груповий заземлювач із n паралельно з’єднаних вертикальних (горизонтальних) електродів, де

                                            n = R₁ / (R_н×h_{е верт.}),                                                   (4.21)

де h_{е верт.}–коефіцієнт екранування, тобто коефіцієнт використання вертикальних заземлювачів, який характеризує ступінь взаємного екранування електродів, які складають груповий заземлювач, і залежить від форми електродів, їх числа і взаємного розташування (рис. 4.5).

У методі розрахунку заземлюючих пристроїв вибирають тип, розміри та конфігурацію заземлювачів. Після розрахунку опору струму розтікання з одного заземлювача (електроду) R₁ та за умови R₁>R_н , задаємо умовне число електродів n^¢. Далі за певним графіком (рис. 4.5, а або рис. 4.5, б), вибраному значенні відношенняb = а / L та числу n^¢знаходимо коефіцієнт екрануванняh_е. Підставляючи значення h_е в формулу (4.21), визначаємо необхідну кількість електродів n (значення n, як правило, буде не цілочислове). Далі знаходимо відносну різницю

                                              g = .                                                     (4.22)

Якщо n і n^¢відрізняються більше ніж на 10% , необхідно, відповідно ітераційного принципу проектування, знову задати умовне число електродів n^¢¢ і визначити значення n за попередньою формулою до тих пір, покиg не стане менше ніж 10 % .

Визначивши необхідну кількість електродів (n) і значення фактичного коефіцієнта екрануванняh_е, за вибраною гілкою графіка h_е(n) визначаємо значення b = а / L, яке може бути рівним 0,5, 1, 2 або 3. Знаючи довжину електроду L визначаємо відстань між сусідніми електродами за формулою

                                          а = b×L .                                                (4.23)

Для зв’язку вертикальних електродів між собою використовують стальні штаби або прутки нормованого поперечного перерізу. Якщо відстань між вертикальними електродами рівна а, а їх кількість – n, то довжина з’єднувальної штаби Lnпри розташуванні заземлювачів у ряд визначається виразом:

                                   L_n= 1,05 а (n– 1),                                        (4.24)

а також по контуру

                                      L_n= 1,05 аn .                                            (4.25)

Визначаємо опір розтіканню струму з горизонтальної штабиR_{з гор.}за (4.17):

                                R_{з гор.} = ,                                      (4.26)

де t– глибина закладення в ґрунт стальної штаби.

Далі визначається загальний опір розтікання струму зв’язаних штучних заземлювачів, які являють собою груповий заземлювач:

                 = R₁R_{з гор.} / (R₁h_{е гор.} + R_{з гор.} n×h_{е верт.})                       (4.27)

де h_егор.– коефіцієнт використання горизонтальної штаби з врахуванням вертикальних електродів, а саме при розташуванні вертикальних електродів в ряд (рис. 4.5, в) і при розташуванні їх по контуру (рис. 4.5, г).

Отриманий опір розтіканню струму групового заземлювача  не повинен перевищувати потрібного в електроустановках напругою до 1 кВ з ізольованою нейтраллю, а саме £R_н.= 4 Ом. Якщо отриманий опір  значно менше потрібного (більше 20 %), то необхідно зменшити кількість вертикальних електродів і підрахувати опір нового штучного групового заземлювача.

Заземлювальний пристрій – сукупність електрично з’єднаних між собою заземлювача і заземлювальних провідників, які включають елементи з’єднання.

Заземлювальний пристрій повинен задовольняти всім вимогам, які пред’являються до заземлення електроустановок: відповідати режиму роботи електричної мережі, захищати електрообладнання від перенапруги, захищати людей від ураження електричним струмом при пошкодженні ізоляції і т.д.

Відповідно ПУЕ [45], для мережі з ізольованою нейтраллю при потужності джерела живлення вище 100 кВ×А допустимий опір заземлювального пристрою R_доп.£4 Ом.

Заземлювачі заземлювальних пристроїв можуть бути природні, штучні або комбіновані.

Як показано в довіднику [25], для заземлення електроустановок у першу чергу повинні бути використані природні заземлювачі. Якщо при цьому опір заземлювальних пристроїв або напруга дотику має допустиме значення, а також забезпечується нормовані значення напруги на заземлювальному пристрої, то штучні заземлювачі повинні застосовуватися лише за необхідності зниження густини струмів, що протікають по природним заземлювачам або стікаючих з них.

Розрахункове значення питомого опору землі слід визначати відповідно того сезону року, коли опір заземлювального пристрою або напруга дотику приймають найбільше значення.

Природний заземлювач–стороння провідна частина, яка крім своїх безпосередніх функцій, одночасно може виконувати функції заземлювача.

Як природні заземлювачі ПУЕ рекомендує використовувати:

- металеві і залізобетонні конструкції будинків і споруд,які знаходяться в контакті з землею, в т.ч. залізобетонні фундаменти в неагресивних середовищах;

- підземні частини залізобетонних і металевих опор повітряних ЛЕП, в т.ч. фундаменти опор, за відсутності гідроізоляції полімерними матеріалами;

- заземлювачі опор повітряних ЛЕП, з’єднані з заземлювальним пристроєм електроустановки за допомогою грозозахисного троса, якщо трос не ізольований від опор ЛЕП;

- заземлювачі опор повітряних ЛЕП напругою до 1 кВ, з’єднані РЕN- провідниками з заземлювальним пристроєм джерела живлення при кількості ліній не менше двох;

- рейки магістральних не електрифікованих залізниць і під’їзних шляхів при наявності перемичок між рейками;

- металеві трубопроводи, прокладені в землі, окрім трубопроводів для транспортування горючих рідин, горючих і вибухонебезпечних газів і сумішей, а також труби каналізації, центрального опалення і комунального водопроводу;

- свинцеві оболонки кабелів, прокладених в землі (оболонки кабелів можуть бути єдиними заземлювачами при кількості не менше двох). Алюмінієві оболонки кабелів використовувати як заземлювачі не допускається;

- обсадні труби бурових свердловин, металеві шпунти гідротехнічних споруд, закладні частини затворів тощо.

Відповідно ПУЕ, якщо при використанні природних заземлювачів опір заземлювального пристрою або напруга дотику не перевищує допустимих значень, а також забезпечуються нормовані значення напруги на заземлювальному пристрої та допустима густина струму в природних заземлювачах, то виконувати штучні заземлювачі в електроустановці не обов’язково.

Необхідні значення напруги дотику і опору заземлювального пристрою у випадку стікання з нього струмів замикання на землю і струмів витоку слід забезпечувати при найменш сприятливих умовах в будь-який час року.

Заземлювальний пристрій, що використовується для заземлення електроустановок, на протязі всього періоду експлуатації повинен відповідати всім вимогам ПУЕ до заземлення цих електроустановок, захисту людей від ураження електричним струмом при пошкодженні ізоляції, умовам режимів роботи мереж, захисту електрообладнання від перенапруги, електромагнітної сумісності комп’ютерних і мікропроцесорних систем, релейного захисту й автоматики (РЗА), АСУ ТП, які застосовуються в цих електроустановках тощо.

Заземлювальні пристрої електроустановок будинків і споруд і заземлювальні пристрої для їх блискавкозахисту, як правило, повинні бути загальними. Для об’єднання заземлювальних пристроїв різних електроустановок в один загальний заземлювальний пристрій належить використовувати всі наявні штучні заземлювальні провідники і заземлювачі. Кількість їх повинна бути не менше двох.

У випадку якщо між розподільчими пристроями розташований будинок з апаратурою РЗА, кількість заземлювальних провідників повинно бути не менше чотирьох. При цьому два з них повинні знаходитися поблизу стін цього будинку.

Статистика показує, що відносно частіше застосовують штучні заземлювачі. Штучні заземлювачі можуть бути з чорної сталі без покриття або з покриттям (гарячеоцинковане або гальнічномідне), а також з нержавіючої сталі або з міді. Штучні заземлювачі не слід фарбувати.

Матеріал, який використовується для штучних заземлювачів і заземлювальних провідників повинен бути електрохімічно сумісний з матеріалом з’єднувальних і контактних елементів. Мінімальні розміри заземлювачів і заземлюючих провідників відповідно ПУЕ вказані в табл. 4.1.

Таблиця 4.1

Мінімальні розміри заземлювачів і заземлювальних провідників, які прокладені в землі

Зазначимо, що заземлювачі із чорної сталі, як правило, не слід використовувати в сильно агресивному середовищі. У даному випадку рекомендується застосовувати заземлювачі із сталі з мідним гальванічним покриттям або мідні заземлювачі. При використанні заземлювачів із чорної сталі без покриття в середньо агресивному середовищі їх розміри рекомендується збільшувати порівняно з наведеними в табл. 4.1., а також в залежності від терміну служби заземлюючого пристрою.

Поперечний переріз горизонтальних заземлювачів для електроустановок напругою вище 1 кВ належить вибирати за умов термічної стійкості та допустимої температури нагрівання 400° С.

У випадку використання природного заземлювального пристрою та допустимого значення його опору або напруги дотику, а також забезпечення нормованого значення напруги на заземлювальному пристрої, штучні заземлювачі повинні застосовуватися лише при необхідності зниження густини струмів, що протікають по природним заземлювачам або стікаючим з них[25].

Комбінований заземлювач – заземлювач, який конструктивно складається зі природного та штучного.В залежності від розташування заземлювачів по відношенню до обладнання, яке заземлюють, заземлення бувають виносні (або зосереджені) і контурні (або розподілені) (рис. 4.6).

У випадку виносного (або зосередженого) заземлення заземлене обладнання розташовують зосереджено на певній відстані від заземлювача, а саме за межами зони розтікання струму замикання на землю (рис. 4.6, а).

Як ми вище розглянули, якщо людина знаходиться в межах локальної землі(зони розтікання) одиночного заземлювача та стоїть на заземлювачі, торкаючись заземленого пошкодженого (аварійного) обладнання, то напруга дотику дорівнює нулю (U_д=0). При віддаленні від заземлювача напруга дотику збільшується. Напруга дотику максимальна у випадку коли людина стоїть за межами локальної землі(в зоні нульового потенціалу) і торкається заземленого обладнання.

Якщо U_к– напруга на корпусі пошкодженого обладнання, І_з – струм, що протікає через заземлювач при замиканні фази на корпус обладнання, R_з– опір заземлення, то напруга дотику за межами зони розтікання струму замикання на землю (напруга дотику для виносного заземлення):

                                     U_д= U_к = І_з×R_з .                                                                          (4.28)

Розглянемо комбінований заземлювач, який складається з природного та штучного. Потреба в комбінованому заземлювачі виникає тоді, коли опір природного заземлювача R_пр. перевищує допустимий опір заземлювального пристроюR_доп., тобто R_пр.>R_доп.= R_н.= 4 Ом. Тоді паралельно природному заземлювачу підключаються штучні заземлювачі.

Застосовуючи формулу загального опору при паралельному з’єднанні резисторів, отримаємо потрібний опір штучних заземлювачів:

                               R_шт.£ R_пр.× R_доп. / (R_пр.– R_доп.),                           (4.29)

де R_шт = .

При наявності природних заземлювачів визначається еквівалентний опір природних і штучних заземлювачів

                         = × R_пр. / ( + R_пр.) £ R_доп.                     (4.30)

Якщо загальний опір заземлюючих провідників є R_з.пров., то опір заземлювального пристрою визначається за формулою

                                 R_{з.пристрою} = + R_з.пров.                                                   (4.31)