Расчет защитного заземления
Рассчитать заземляющее устройство для заземления электродвигателя, питающегося от трехфазной сети с изолированной нейтралью напряжением 380 В, место использования устройства – помещение с нормальными условиями, по опасности поражения электрическим током – помещение с повышенной опасностью.
Расчеты защитного заземления выполнить в соответствии с вариантом, указанным в таблице 5.1.
Пример – Рассчитать заземляющее устройство [5, рисунок 3.2.б] для заземления электродвигателя напряжением 380 В трехфазной сети с изолированной нейтралью, место использования устройства – в помещении с нормальными условиями, класс помещения по опасности поражения электрическим током – с повышенной опасностью. Исходные данные: грунт – суглинок; вид заземлителя – труба; мощность трансформатора – 175 кВА; l = 3 м; d = 0,05 м; b = 0,0016 м; h = 0,6 м; h0 = 0,4 м; установка эксплуатируется в мае-сентябре.
Решение.
Определяем сопротивление одиночного вертикального заземлителя Rз, Ом по формуле для схемы 3.2.б [5, п. 3.1.3]:
,
где ρ = 100 Ом×м [5, таблица 3.1]);
t = h0 + l/2 = 0,4 + 1,5 = 1,9 м.
Ом.
Определяем количество вертикальных стержней:
,
где ηс – коэффициент сезонности, ηс = 2,2 , т.к. грунт имеет наибольшее сопротивление во время эксплуатации в июле месяце [5, таблица 3.2]);
Rдоп – допустимое сопротивление при установленной мощности 175 кВ·А, Rдоп = 4 Ом [5, п.3.1.3].
.
Принимаем 16 стержней.
Определяем длину соединительной полосы по формуле
,
где а – расстояние между стержнями, принимаем 
= 2 м [5, п. 3.1.3],
м.
Определяем сопротивление соединительной полосы:
с= 
Ом
Вычисляем расчетное сопротивление заземляющего устройства, с учетом коэффициентов влияния электродов и использования полосы.
,
где ηn– коэффициент использования полосы, ηn= 0,5[5, таблица 3.3];
η3– коэффициент взаимного влияния, η3= 0,52[5, таблица 3.4].
Ом.
Так как результирующее сопротивление заземляющего устройства значительно меньше допустимого (4 > 2,96), уменьшим количество вертикальных заземлителей и вновь определим полностью R. Принимаем число вертикальных стержней 13 шт.
Определяем длину полосы:
м.
Определяем сопротивление соединительной полосы:
Ом.
Вычисляем результирующее сопротивление заземляющего устройства:
Ом.
Заземление удовлетворяет условию 4 > 3,62.
Таблица 5.1 – Исходные данные для расчета защитного заземления
| Вариант | ||||||||||||||||
| Схема | ||||||||||||||||
| Вид вертикального заземлителя | Тру-ба | Уго-лок 40х40 | Тру-ба | Тру-ба | Уго-лок 45х45 | Тру-ба | Тру-ба | Тру-ба | Уго-лок 50х50 | Уго- лок 55х55 | Уго-лок 60х60 | Тру-ба | Уго-лок 45х45 | Труба | Труба | Уго-лок 40х40 |
| Грунт | Пе-сок | Су-песь | Су-гли-нок | Гли-на | Садо-вая земля | Чер-нозем | Торф | Каменис-тый | Скалистый | Песок | Глина 4 | Су-песь | Торф | Глина | Пе-сок | Су-гли-нок |
| Мощность трансформатора Р, кВА |  100
| |||||||||||||||
| l, м | 2,5 | 2,5 | 2,7 | 2,8 | 2,5 | 3,0 | 3,0 | 2,6 | 2,6 | 2,7 | 2,8 | 3,0 | 2,8 | 2,6 | 2,5 | 3,0 |
| d, м | 0,05 | 0,06 | 0,056 | 0,05 | 0,06 | 0,04 | 0,05 | 0,06 | ||||||||
| b, мм | ||||||||||||||||
| h, м | 0,4 | 0,6 | 0,7 | 0,5 | 0,4 | 0,3 | 0,6 | 0,5 | 0,8 | 1,00 | 1,00 | 0,6 | 0,5 | 0,9 | 0,4 | 0,8 |
| h0, м | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,8 | 0,7 | 0,5 | 0,6 | ||||||||
| Период эксплуа-тации | В теч. года | Ап-рель | Май | Июнь | Июль | Ав-густ | Сен-тябрь | В теч. года | В теч. года | Май | Июнь | Август | В теч. года | Июль | Август | В течение года |
| Расстояние между электродами, а, м | 2,2 | 2,4 | 2,6 | 2,8 | 3,0 | 2,1 | 2,3 | 2,5 | 2,7 | 2,9 | 3,0 | 2,0 | 2,5 | 2,6 |
Расчет системы зануления
Расчет системы защитного зануления изложен в [5, п. 3.2]. Выполнить расчет в соответствии с вариантом (таблица 5.2) для линии напряжением 380/220 В, которая питается от трансформатора Тр. Линия состоит из двух участков (рисунок 5.1). Первый участок длиной l1– от трансформатора до распределительного устройства, второй участок длиной l2 – от распределительного устройства до электродвигателя. Оба участка линии с алюминиевыми кабельными проводами. Для первого участка в качестве нулевого проводника использована четвертая жила кабеля, для второго – прямоугольная полоса.
Рисунок 5.1 – Расчетная схема зануления
Двигатель защищен предохранителем Iном (плавкая вставка). Коэффициент кратности тока k=3 [5, п.3.2.2.1].
Расчет зануления сводится к расчету на отключающую способность
,
где Iк.з. – ток короткого замыкания, А.
Ток короткого замыкания определим по формуле
,
где 
– фазное напряжение, В;
ZТ – сопротивление трансформатора, Ом [5, таблица 3.5];
Zn – сопротивление петли фаза-нуль: рассчитывается
.
Пример – Рассчитать систему защитного зануления (см. рисунок 5.1) при следующих исходных данных: l1 = 150 м; l2 = 50 м; сечение алюминиевых проводов S1 = 50 мм2, S2 = 25 мм2, мощность трансформатора Рт = 400 кВА; схема соединения обмоток трансформатора ∆/ 
; сечение нулевого защитного проводника 40х4 (прямоугольная полоса). Электродвигатель расположен в помещении с нормальными условиями, класс помещения по поражению электрическим током – с повышенной опасностью.
Решение.
Общее сопротивление линии состоит из сопротивлений двух участков (первого и второго).
Активное сопротивление фазных проводников Rф1 , Rф2 определяем по следующей формуле:
,
где r –удельное сопротивление проводника из алюминия, 
= 0,028 Ом×мм2 / м;
l– длина участка, м;
S – сечение проводника, мм2.
Сечение проводников выбирается по длительно допустимому току в зависимости от материала и условий работы. По условию задачи: l1 = 150 м; l2 = 50 м; сечение алюминиевых проводов S1 = 50 мм2, S2 = 25 мм2 . Тогда
Ом;
Ом.
Rн.з. – активное сопротивление нулевого защитного проводника. Если нулевой защитный проводник из стали, то его активное сопротивление Rн.з. и внутреннее индуктивное сопротивление Хн.з зависят от плотности тока и определяются с помощью [5, таблица 3.6].
Определяем величину наименьшего допустимого тока из условия срабатывания защиты (ожидаемое значение тока короткого замыкания):
А.
Определяем плотность тока в стальной полосе сечением 40×4 S = 160 мм2. Следовательно,
А/мм2,
тогда Rн.з 2. = rω · 
= 1,70 · 0,05 = 0,085 Ом,
где rω – активное сопротивление нулевого защитного проводника,
rω = 1,70 Ом/км.
Внутренние индуктивные сопротивления фазных проводников Xф из алюминия очень малы, и ими можно пренебречь.
Внутреннее индуктивное сопротивление нулевого защитного проводника Xн.з.2 определяем как
Xн.з.2 = Xω·l2 = 0,962 · 0,05 = 0,048 Ом,
где Xω– внутреннее индуктивное сопротивление полосы 40х4 при плотности тока 1,875 А/мм2, Xω = 0,962 Ом/км [5, таблица 3.6].
Внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль Xń очень мало (для кабеля – не более 0,1 Ом/км, и им в практических расчетах можно пренебречь [5, п.3.2.2.1]); ZТ – полное сопротивление трансформатора, ZТ = 0,06 Ом [5, таблица 3.6].
Определяем сопротивление петли фаза-нуль
– первого участка:
– второго участка:
Полное сопротивление петли фаза-нуль
Zn = Zn1 + Zn2 = 0,168+0,149 = 0,317 Ом.
Ток короткого замыкания определим по формуле:
= 652,8А.
Проверяем условие надежного срабатывания защиты:
Iк.з ≥ 3·Iном ;
652,8 >300.
Ток короткого замыкания значительно превышает номинальный ток плавкой вставки, поэтому при замыкании на корпус плавкая вставка перегорит и отключит поврежденную фазу. По номинальному току принимаем предохранитель ПН-100 с номинальным током плавкой вставки 100 А (таблица А.1).
Таблица 5.2 – Исходные данные для расчета зануления