Рисунок 3.1  -Двухслойная модель земли с удельным сопротивлениями верхнего и нижнего слоя ρ1 и ρ2

Порядок расчета:

         а) определение расчетного тока замыкания на землю.

         Расчетный ток для ЗУ в сетях незаземленных и заземленных через дугогасящие реакторы согласно ПУЭ в качестве расчетного тока для заземлителя принимается:

1)     в сетях незаземленных – полный ток замыкается на землю;

2)     в сетях с дугогасящими реакторами для ЗУ, к которым

присоединены дугогасящие реакторы, ток, равный 125% номинального тока реактора; для ЗУ, к которым не присоединены дугогасящие реакторы, остаточный ток замыкания на землю при отключенном наиболее мощном реакторе.

         Расчетный ток для ЗУ в эффективно заземленной сети –это есть однофазный ток короткого замыкания, который определяется из расчета токов короткого замыкания, который определяется из расчета токов короткого замыкания основной части проекта;

         б) определение требуемого значения сопротивления ЗУ (см.раздел 2);

         в) определение расчетного удельного сопротивления грунта.

         Расчетное удельное сопротивление грунта для однородной земли определяется из выражения

,                                   (3.1)

где ψ – коэффициент сезонности, определяемый из таблицы 3.1;

         ρ_изм – может быть ориентировочно определено из таблицы 3.3

         Коэффициент сезонности слоя в многослойной земле приведены в табл. 3.2.

         Для многослойного грунта удельное электрическое сопротивление берется равным ρ_изм, если этот слой лежит ниже условной толщины сезонных изменений (таблица 3.3)

         Эквивалентное удельное электрическое сопротивление ρ_э двухслойной земли для сложного заземлителя может быть определено по формуле

,                                (3.2)

где к – показатель степени:

при 0,1 ≤ ρ₁/ρ₂ ≤ 1

;                                        (3.3)

при 1≤ ρ₁/ρ₂ ≤ 10

                                               ,                             (3.4)

где h₁ – толщина верхнего слоя земли, м;

          l_B – длина вертикального электрода, м;

         а – расстояние между вертикальными электродами, м;

          l_отн – относительная длина верхней части вертикального электрода, т.е. части, находящейся в верхнем слое земли, м:

,                                     (3.5)

где t_B – глубина погружения в землю верхнего конца вертикального электрода, м;

         г) определение требуемого сопротивления искусственного заземлителя.

ПУЭ рекомендует в первую очередь использовать в качестве элементов  ЗУ естественные заземлители. Величина сопротивления растекания естественного заземлителя определяется путем инструментальных замеров или расчетом по формулам, приведенным в таблице 3.4.

Величина сопротивления растекания искусственного заземлителя определяется из выражения

;                                        (3.6)

         д) выбор типа заземлителя и составление предварительной схемы ЗУ;

         е) уточнение параметров заземлителя.

         Вычисление величины сопротивления растекания через искусственный заземлитель является проверочным и производится путем постепенного приближения.

Т а б л и ц а 3.1 – Коэффициенты сезонности для однородной земли

Примечания: 1. Земля считается повышенной влажности, если измерению ее сопротивления предшествовало выпадение большого количества (свыше нормы) осадков (дождей); нормальной (средней) влажности – если измерение предшествовало выпадение небольшого количества (близкое к норме) осадков; малой влажности – если земля сухая, количество осадков в предшествующий измерению период было ниже нормы.

2. Заглубление электродов, т.е. расстояние от поверхности земли до верхнего конца вертикального электрода, равно 0,7 – 0,8 м.

Т а б л и ц а 3.2 – Коэффициенты сезонности для слоя сезонных изме-нений в многослойной земле

См. Примечание 1 к табл.3.1 

Т а б л и ц а 3.3 – Осредненные значения удельного сопротивления раз-личных грунтов

Т а б л и ц а 3.4 – Формулы для вычисления сопротивления единичных заземлителей растекания тока

Продолжение таблицы 3.4

Продолжение таблицы 3.4

По формулам, приведенным в таблице 3.4, определяется сопротивление одиночного вертикального заземлителя R_B.

         По предварительной схеме ЗУ определяют число вертикальных заземлителей n_B и расстояния между ними. По этим данным определяются коэффициент использования вертикальных стержней η_В (таблица 3.7).

         Сопротивление соединительной полосы R_Г определяется по таблице 3.4 с учетом коэффициента использования полосы η_Г (табл. 3.5 - 3.6).

         Расчетное сопротивление искусственного заземлителя вычисляют по формуле

                                            (3.7)

         Проверяем условие R_u ≥ . Если  оказывается больше, чем требуемое R_u, то: 1) затем по табл.3.5 и 3.6 найти η_В, η_Г и вычислить ; 2) если , то расчет закончен. При расчете сложного заземлителя в двухслойной земле используют метод наведенных потенциалов.

         По предварительной схеме заземлителя определяют площадь территории, занимаемую заземлителем, S, м²; суммарную длину горизонтальных электродов l_Г, количество вертикальных электродов и их суммарную длину l_В.

         Составляют условную расчетную модель заземлителя. Расчетная модель имеет оинаковую с принятой схемой ЗУ площадь S, l_Г, l_В, n_B и глубину заложения в землю верхнего конца вертикального электрода t_В. ЗУ погружено в однородную землю с удельным сопротивлением ρ_Э.

         Определяем длину по одной стороне модели

                                                                (3.8)

Если м окажется дробным числом, его округляют до целых чисел, после чего уточняют значение l_Г, м

                                                             (3.9)

         Определяем длину стороны ячейки в модели b, м

                                                                        (3.10)

и количество вертикальных электродов n_B, задавшись расстоянием а, м между ними; если n_B   известно, расстояние а; располагаем их по периметру ЗУ.

                                                                   (3.11)

Т а б л и ц а 3.5 – Коэффициент использования η_Г горизонтального полосового электрода, соединяющего вертикальные электроды (трубы, уголки и т.п.) группового заземлителя

Т а б л и ц а 3.6 – Коэффициенты использования параллельно уложен-ных горизонтальных полосовых электродов группового заземлителя (ширина полосы -20 ÷ 40 мм; глубина заложения 0,3 – 0,8 м)

         Т а б л и ц а 3.7 – Коэффициенты использования вертикальных элект-родов группового заземлителя (труб, уголков и т.п.) без учета влияния полосы связи

         Т а б л и ц а 3.8 – Признаки зон для определения коэффициентов сезонности

Относительная глубина погружения в землю вертикальных электродов

                                      (3.12)

Сопротивление прямоугольной сетки  площадью S, м²:

                                        ,                         (3.13, а)

где ; L – общая длина проводников;

выраженное через ρ_Э:

                                       (3.13, б)

         Сопротивление сетки с вертикальными электродами, выраженное

         а) через ρ₁, ρ₂

,                        (3.14, а)

где А – коэффициент, значение которого равно

         при 0 ≤ t_отн ≤ 0,1

                А = 0,444 – 0,84∙t_отн

         при 0,1 ≤ t_отн ≤ 0,5

                А = 0,385 – 0,25∙t_отн

         Проверяем условие R ≤ R_и

         Общее сопротивление ЗУ

         Коэффициент напряжения прикосновения α может быть определен из следующего выражения [I]:

,                                                  (3.15)

где а = Р/ n_B – расстояние между вертикальными проводниками, Р – периметр сетки, м; М – функция отношений ρ₁ / ρ₂

Коэффициент напряжения прикосновения и шага, учитывающего падение напряжения в сопротивлении грунта между ног человека.

                                                         (3.16)

,                                                            (3.17)

где R_h – сопротивление тела человека, Ом.

Тогда

 U_пр = φ₃∙α₁∙α₂,                                            (3.18)

где φ₃ = I₃∙R₃

         Максимальное напряжение прикосновения

                                                 (3.19)

         Условие безопасности прикосновения человека к заземленным предметам в зоне ЗУ в эффективно-заземленной сети

                    (3.20)

Ток через человека

                                                       (3.21)

         Условие безопасности для человека, шагающего в зоне растекания тока,

    ,                           (3.22)

         где β₁ – коэффициент напряжения шага, определяемый по таблице 3.9.

         Ток через человека при шаговом напряжении составит

                                                       (3.23)

4. ПРИМЕР РАСЧЕТА ЗУ

Цель расчета:

- определить основные параметры заземляющего устройства, то есть число, размеры, порядок расположения вертикальных и горизонтальных заземлителей. На проектируемой станции предполагается иметь ОРУ 110 кВ, ОРУ 220 кВ и 0,4 кВ и РУ с.н. 6/0,4 кВ;

 - сети 110 кВ, 220 кВ и 0,4 кВ являются сетями с эффективно заземленной нейтралью. Сети 6 кВ – сети с изолированной нейтралью. Основным заземлением на станции является контурное заземление,  выполняется при недостаточности основного контура, например, при скальных грунтах, в зонах вечной мерзлоты и в других сложных условиях для уменьшения сопротивления заземления /2/. По требованиям ПУЭ для сетей с эффективно заземленной нейтралью и большим током замыкания на землю (I₃ >500 А) величина допустимого сопротивления заземляющего устройства не должна превышать 0,5 Ом. Контурное заземление ОРУ 110 кВ или ОРУ 220 кВ может быть использовано в качестве выносного заземления для сети 6/0,4 кВ и РУ с.н. 6/0,4 кВ.

Расчет заземляющего устройства ОРУ 110 кВ

Исходные данные:

Обтекаемый ток короткого замыкания на стороне 110 кВ I_кз=12500 А.

         Размеры площадки ОРУ 110 кВ выбраны в соответствии с размерами, приведенными в основной части проекта, также учтены расстояния от токоведущих частей до различных элементов ОРУ напряжением выше 1000 В S_ору 110 = 60х72м = 4320 м²; .

            Грунт двухслойный, удельное сопротивление верхнего слоя ρ_2изм = 40 Ом·м.

         По периметру контура в грунт забиты вертикальные элементы (стержни) диаметром d = 0,04 м и длиной l = 5 м, соединенные стальной полосой сечением 40х4 мм, горизонтальная сетка внутри контура состоит из полос сечением 4х40 мм.

         Толщина верхнего слоя земли h₁ = 3 м;

         Глубина погружения электрода в землю – расстояние от поверхности земли до электрода t₀ = 0,5 м.

ρ_1расч = ρ_1изм ·ψ = 80·27 = 216 Ом·м

где ψ – коэффициент сезонности для слоя сезонных изменений в многослойной земле, ψ = 2,7 – для климатической зоны (таблица 3.2). ρ_2расч = ρ_2изм =40 Ом·м, т.к. условная толщина слоя сезонных изменений во II климатической зоне Н = 2,0 м, что меньше толщины верхнего слоя земли h₁ = 3 м, отношение ρ₁ / ρ₂ с учетом коэффициента сезонности

а = 4м – расстояние между вертикальными электродами в модели заземлителя

,

где S – площадь территории, занимаемой заземлителем, м²;

         n – число вертикальных электродов.

         Определим число вертикальных электродов при известном а

или ,

где Р – периметр контура заземлителя.

         Относительная длина верхней части вертикального электрода, т.е. части, находящейся в верхнем слое земли, l_отн, м определяется из выражения

Эквивалентное удельное сопротивление ρ_Э двухслойной земли для сплошного заземлителя в виде горизонтальной сетки с вертикальными электродами может быть определено также по формуле

,

где показатель степени  при 1 ≤ ρ₁/ ρ₂ ≤ 10

Определим сопротивление сплошного заземлителя, состоящего из контура вертикальных заземлителей, соединенных горизонтальными электродами и сетки, которая находится внутри контура.

         Сопротивление сложного заземлителя, состоящего из сетки и ряда вертикальных проводников, может быть определено из следующего выражения:

,

где ;

       ;

       n – число вертикальных проводников. Значения l₁ и l₂ нанесены на рисунке 3.1;

       L – общая длина проводников.

,

,

L = 17·72+20·60 = 2424 м,

         Коэффициент напряжения прикосновения α может быть определены из следующего приближенного выражения для заземлителей типа сетки с равномерным распределением проводников и дополненной вертикальными проводниками. Определяем α₁ согласно (3.15)

,

где а = Р/ N – расстояние между вертикальными проводниками, м; Р – периметр сетки, м; М – функция отношения ρ₁ / ρ₂

         Коэффициент снижения напряжения прикосновения, зависящий от удельного сопротивления верхнего слоя земли, может быть определен из формулы 3.16:

где ρ₁ – удельное сопротивление верхнего слоя земли

По формуле 3.18 определяем напряжение прикосновения

         Допустимое напряжение t = 0.15 c (с учетом АПВ, рекомендуемое время для расчета напряжения прикосновения и шага, составляет 450 В), (табл.2.1).

         Потенциал заземлителя

         Напряжение U_прмах = φ₃·α₁ = 4099,25·0,1362 = 558,31 В.

         Из условий безопасности прикосновения человека к заземленным предметам в зоне ЗУ в эффективно заземленной сети

имеем:

,

где I_h – ток через человека согласно

         Проверим условие безопасности, где U_прдоп =450 В, определяемое ГОСТ 12.1.038 – 82

558,31-0,421·1,5·216 ≤ 450,

421,6<450.

Условие выполняется.

         Коэффициент напряжения шага для сложного заземлителя, состоящего из сетки и ряда вертикальных проводников, может быть определен по таблице 3.9

β₁ = 0,15

         Определяем коэффициент β₂ – коэффициент снижения напряжения шага, зависящий от удельного сопротивления верхнего слоя земли согласно (3.17)

         По формуле (3.22) определяем напряжение шага

,

где U_доп = 450 В согласно ГОСТу для времени действия короткого замыкания с учетом АПВ t = 0,15 с

ток через человека согласно (3.23)

Проверим условие безопасности

614,88-0,2678·6·216 ≤ 450,

267,8 < 450

Условие выполняется.

Рассмотрим возможность использования данного заземлителя по требованиям R_З

Полученное в результате расчетов сопротивление заземления

R₃ = 0,32797 Ом

удовлетворяет как требованиям ПУЭ, так и указанным выше условиям, т.е. .

         Расчет контурного заземления ОРУ 220 кВ производится аналогично. Рассмотрим возможность использования ЗУ ОРУ 110 кВ в качестве выносного ЗУ для РУ с.н. 6/0,4 кВ и сети 6/0,4 кВ.

         Протяженность кабелей питания двигателей 6 кВ составляет 50-200 м. Длина отдельных кабелей (к циркуляционным насосам, мазутным насосам) достигает 1500 м на 1 блок, соответственно длина увеличивается в 3 раза. Необходимо учесть, что ответственные механизмы с.н. имеют резервные двигатели, которые питаются по своим отдельным кабелям, с учетом этого имеем

         В электроустановках напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью в качестве расчетного тока можно принять ток, вычисленный приближенно по формуле

,

где U – фазное напряжение сети, кВ;

         l_к – общая длина подключенных к сети кабельных линий, км;

       l_В – общая длина подключенных к сети воздушных линий, км.

         При выносимом исполнении заземления заземлителей располагаются на некотором удалении от заземляемого оборудования. Поэтому заземленные корпуса находятся вне поля растекания – на земле, и человек, касаясь корпуса, оказывается под полным напряжением относительно земли, если не учитывать коэффициента α₂, U_пр = U₃. Так как α₁ = 1, ток через человека

I_h = I₃ ·R₃/R_h

                R₃ = 0,32797 Ом,

         R_h = 1000 Ом,

         I₃ = 11,04 А,

         α₂ = 0,7552.

         t = I₀ – время действия тока К.З.

С учетом α₂ = 0,7552; ;

         ;

         ,

         где β₂ = 0,4355; β₁ = 1;

         Допустимые значения напряжения прикосновения U_пр и проходящие через человека для сети выше 1000 В с изолированной нейтралью при t = 1 с и более.

         U_пр = 36 В, I_h = 6 мА, т.е. условия безопасности выполнены.

         Т а б л и ц а 3.9 – Наибольшие значения коэффициентов прикосновения α₁ и шага β₁.

         Продолжение таблицы 3.9

 Содержание 

Введение                                                                                          2

1  Вероятность травмирования человека электрическим током              3 

2  Нормирование заземляющих устройств                                              3 

3  Расчет заземляющего устройства                                                       4 

4  Пример расчета ЗУ                                                                              18 

Список литературы                                                                         26

  Список литературы

1.  Долин П.А. Справочник по технике безопасности. 6-е изд., перераб. И доп.-М.: Энергоатомиздат, 1985.-824с.

         2. Бургодорф В.В., Якобо А.И. Заземляющее устройства электроустановок.-М.: Энергоатомиздат, 1987.

3. Охрана труда. Князевский Б.А. 2-е изд., перераб. И доп.-М.: Высш.школа, 1982.-311с.

         4. Бургодорф В.В., Волкова О.В. Расчет сложных заземлителей в неоднородных грунтах. Электричество 1964. №9с. 1-7.

         5.  Эбин Л.Е., Якобо А.И. Применение метода наведенных потенциалов в неоднородных грунтах. Электричество 1964. №9с. 1-7.

6. Электрическая часть электростанций. Учебник для вузов. Под редакцией С.В. Усова.-2-е изд., перераб.и доп.-Л.: Энергоатомиздат.Ленингр.отд-ние.1987.-616с.