РОЗРАХУНОК ЗАХИСНОГО ЗАЗЕМЛЕННЯ

МЕТА І ЗАДАЧІ РОБОТИ

Ціль роботи – поглибити і систематизувати теоретичні знання по дисципліні „Охорона праці” при розробці заходів для конкретних умов по темі проекту.

По закінченню дипломного проекту студент зобов'язаний:

- уміти застосовувати теоретичні знання при розробці заходів по охороні праці в конкретних умовах підприємства.

- уміти користатися довідковими і нормативними даними при розрахункових обгрунтуваннях.

ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

Методичнi вказiвки вмiщують матерiали з розрахунків захисного заземлення, занулення та штучного освітлення виробничих приміщень при виконанні роздiлу “Охорона працi” в дипломних проектах студентів інституту електроенергетики.

Вихiднi данi для виконання розрахункових обгрунтувань є матерiали, зiбранi студентом в перiод переддипломної практики, i матерiали технологiчних роздiлiв дипломного проекту. Результати розрахункiв повиннi вiдповiдати вимогам стандартiв системи безпеки працi (CCБП) та iнших нормативних документiв.

Розрахункова частина є складовою частиною роздiлу “Охорона працi”, структура i порядок виконання якого приведений у вiдповiдних методичних вказiвках зi спецiальностi.

РОЗРАХУНОК ЗАХИСНОГО ЗАЗЕМЛЕННЯ

3.1. Мета розрахунку - визначити параметри заземлення: кількість, розміри і розміщення на плані об'єкта, що захищається, вертикальних і горизонтальних електродів.

3.2. Вихідні дані

Характеристика електроустановки (U_ном, режим нейтралі).

План об'єкта, що захищається, з вказівкою основних розмірів і розміщення устаткування.

Характеристика електродів для проектованого заземлювача, глибина їхнього занурення в землю.

Величина питомого опору ґрунту (r), характеристика кліматичної зони (відповідно до табл. 3.1). Якщо земля приймається двошаровою, то дані про величину питомого опору кожного шару землі і товщина верхнього шару.

Дані про природні заземлювачі (обмірюваний опір розтікання струму чи параметри для його визначення розрахунковим шляхом).

Таблиця 3.1

Ознаки кліматичних зон для визначення коефіцієнта сезонності

Розрахунковий струм замикання на землю в мережах напругою вище 1000 В. Якщо струм невідомий, то його визначають за викладеною нижче методикою.

3.3. Порядок розрахунку

3.3.1. Визначається розрахунковий однофазний струм замикання на землю

Згідно з ПУЭ [3] трифазні установки напругою 110 кВ і вище працюють з ефективно заземленою нейтраллю і відносяться до установок з великими струмами замикання на землю (> 5000 А). Електроустановки напругою вище 1000 В до 35 кВ включно працюють з ізольованою нейтраллю чи приєднаною до заземлюючого пристрою, через котушки, які компенсують.

В установках з великими струмами замикання на землю як розрахунковий струм приймається стале значення найбільшого зі струмів однофазного замикання на землю для проектованого заземлюючого пристрою.

В установках з малими струмами замикання на землю без компенсації ємнісних струмів розрахунковий однофазний (ємнісний) струм замикань на землю приблизно може бути визначений за формулою

, А, (3.1)

де U_ф – фазна напруга мережі, кВ; l_к.л., l_в.л. – відповідно довжина електрично зв'язаних кабельних і повітряних ліній, км.

В установках з малими струмами замикання на землю з компенсацією ємнісних струмів як розрахунковий приймається струм, рівний 125% номінального струму компенсаційних апаратів. Для заземлюючих пристроїв, до яких не приєднані компенсаційні апарати, як розрахунковий приймається залишковий струм замикання на землю для даної мережі при вимиканні найбільш потужного компенсаційного апарата чи найбільш розгалуженої ділянки мережі. Струм замикання на землю повинен бути розрахований для можливої в експлуатації схеми мережі, при якій цей струм буде мати найбільше значення.

3.3.2. Визначається припустимий опір заземлюючого пристрою згідно з табл. 3.2.

Таблиця 3.2

Найбільші значення опорів заземлюючих пристроїв в електроустановках

3.3.3. Підраховується опір природних заземлювачів (якщо немає даних вимірів) за формулами:

- для вертикального круглого чи косинцевого заземлювача в поверхні землі

,Ом; (3.2)

- те ж для зануреного в землю на t_o від поверхні;

,Ом; (3.3)

- для протяжного на поверхні землі (стрижень, труба, смуга, кабель і т.д., для смуги шириною a d = 0,5a)

,Ом; (3.4)

- те ж для зануреного в землю на t_o від поверхні

, Ом; (3.5)

- для круглої пластини на поверхні землі

, Ом; (3.6)

- те ж для зануреної у землю на t_o від поверхні

, Ом; (3.7)

- для пластини, поставленої на ребро, зануреної на t_o від поверхні землі

, Ом; (3.8)

- для прямокутної пластини на поверхні землі

, Ом; (3.9)

- для квадратної пластини на поверхні землі

, Ом, (3.10)

де r - питомий опір ґрунту, Ом × м (обмірюване чи прийняте за табл. 3.3); l – довжина заземлювача, м; d - діаметр круглого заземлювача, м; t – відстань від поверхні землі до центра заземлювача, м; D – діаметр круглої пластини, м; а, b – ширина і довжина пластинчастого заземлювача, м.

Таблиця 3.3

Наближені значення питомих електричних опорів

різних ґрунтів і води

Опір розтіканню природних заземлювачів системи "грозозахисний трос – опори" R_l при кількості опор із тросом більш 20 визначається за формулою

, Ом, (3.11)

де r_on – опір заземлення однієї опори, Ом, приймається з урахуванням сезонних коливань питомого опору ґрунту за табл. 3.2; r_m = 0,15 - активний опір сталевого троса перетином S, мм², на довжині одного прольоту l, м; n_m – число тросів на опорі.

При використанні залізобетонних фундаментів промислових будинків як природні заземлювачі [2] опір розтіканню їх повинен оцінюватися за формулою

, Ом (3.12)

де S – площа, обмежена периметром будинку, м², r₃- питомий еквівалентний електричний опір ґрунту, Ом×м, що визначається за формулою

, (3.13)

де r_1, r₂ - питомий опір верхнього і нижнього шарів землі відповідно, Ом×м; h₁ – товщина верхнього шару землі, м; a, b - безрозмірні коефіцієнти, що залежать від співвідношення питомих опорів шарів землі.

Якщо r₁>r₂, то a = 3,6, а b = 0,1;

Якщо r₁<r₂, то a = 1,1×10², а b = 0,3×10 ^{– 2}.

Під верхнім шаром варто розуміти шар землі, питомий опір якого r₁ більше ніж у два рази відрізняється від питомого опору нижнього шару r₂. При цьому в електроустановках напругою від 110 до 750 кв не потрібна прокладка провідників, що вирівнюють, у тому числі у входів і в'їздів, крім місць розташування заземлення нейтралей силових трансформаторів, короткозамикачів, вентильних розрядників і блискавковідводів, якщо виконується умова

, (3.14)

де I_k.3. - розрахункова сила струму однофазного замикання, що стікає в ґрунт із фундаментів, кА.

Металеві і залізобетонні конструкції будинків при використанні їх як заземлюючих пристроїв повинні утворювати безперервний електричний ланцюг по металу, а в залізобетонних конструкціях повинні передбачатися закладні деталі для приєднання електричного і технологічного устаткування. Спорудження штучних заземлювачів при цьому не потрібно, якщо параметри залізобетонних фундаментів задовольняють викладеним вище вимогам.

3.3.4. Визначається необхідний опір штучних заземлювачів

, Ом (3.15)

де R_l – опір розтіканню природних заземлювачів; R_пуэ – припустимий опір розтіканню заземлюючого пристрою, згідно з ПУЭ [3] (табл. 3.2).

3.3.5. Вибирається тип заземлюючого пристрою, (виносний чи контурний) на підставі даних про об'єкт, що захищається, і значень Ru, r.

3.3.6. Вибирають електроди (стрижневі і смугові) і попередньо розміщають їх на плані об'єкта, що захищається.

Як вертикальні заземлювачі варто використовувати сталеві стрижні діаметром 10-16 мм, довжиною 4,5-5 м чи кутову сталь з товщиною стінки не менш 4 мм, довжиною 2,5-3 м. Верхній кінець вертикального заземлювача повинен бути занурений на 0,6-0,7 м від поверхні землі. Як горизонтальні заземлювачі варто використовувати круглу сталь діаметром не менше 10 мм чи сталеві смуги товщиною не менше 4 мм.

В установках з ефективно заземленою нейтраллю для вирівнювання електричного потенціала варто прокладати подовжні і поперечні горизонтальні заземлювачі на глибині 0,5-0,7 м від поверхні землі. Подовжні заземлювачі прокладаються уздовж електроустаткування з боку обслуговування на відстані 0,8-1,0 м від фундаменту чи підставки устаткування.

Допускається збільшення відстаней від фундаментів до 1,5 м із прокладкою однієї смуги для двох рядів устаткування, якщо відстань між фундаментами не перевищує 3,0 м, а сторони обслуговування звернені одна до іншої.

Поперечні заземлювачі прокладаються в зручних місцях між устаткуванням. Відстань між ними варто збільшувати від периферії до центра сітки, що заземлює. При цьому перші і наступні відстані не повинні перевищувати відповідно 4,0; 5,0; 6,0; 7,5; 9,0; 11,0; 13,5; 16,0 і 20,0 м.

Розміри вічок заземлюючої сітки, які прилягають до місць приєднання нейтралей силових трансформаторів і короткозамикачів до заземлюючого пристрою, не повинні перевищувати 6x6 м². При цьому контурний електрод, що утворить периметр сітки, повинен охоплювати всі споруди об'єкта, що захищається.

Зовнішня огорожа електроустановок не приєднується до заземлюючого пристрою, і повинна бути на відстані не менш 2 м від його елементів. Якщо цю умову виконати неможливо, то металеві частини огорожі варто приєднати до заземлюючого пристрою, і з зовнішньої сторони огорожі на відстані 1 м від її і на глибині 1 м має бути прокладений горизонтальний заземлювач, приєднаний до заземлюючого пристрою, не менше ніж у чотирьох точках.

3.3.7. Визначається розрахунковий питомий опір ґрунту для однорідного ґрунту

, Ом×м (3.16)

де Y - коефіцієнт сезонності для вертикального і горизонтального електродів, обумовлений за табл. 3.4; для двошарової землі відповідно до кліматичної зони даної місцевості за табл. 3.5 знаходиться товщина шару сезонних коливань h_c і коефіцієнт сезонності Y, на який збільшується вимірюваний питомий опір цього шару землі

, Ом×м; (3.17)

для нижнього шару ґрунту

, Ом×м. (3.18)

Таблиця 3.4

Значення коефіцієнта сезонності для однорідної землі

Таблиця 3.5

Значення коефіцієнта сезонності для шару сезонних вимірів

у багатошаровій землі

3.3.8. Для однорідного ґрунту розрахунок опору заземлювача ведеться в такій послідовності:

- за попередньою схемою розміщення заземлюючого пристрою, визначаються довжина Lг горизонтальних і кількість n вертикальних електродів;

- за формулами (3.2-3.10) розраховується величина опору одного вертикального електрода R_в і горизонтальних електродів R_г з обліком розрахункового питомого опору ґрунту;

- за табл. 3.6 і 3.7 визначається відповідно коефіцієнт використання вертикальних h_в і горизонтальних h_г електродів;

Таблиця 3.6

Коефіцієнт використання h вертикальних електродів

без урахування впливу смуги зв'язку

- розрахунковий опір заземлювача буде

, Ом. (3.19)

Отримане значення опору порівнюється з необхідним опором штучного заземлювача, визначеним за формулою (3.15). При великих розбіжностях параметри заземлюючого пристрою змінюються і проводиться перерахунок для забезпечення необхідної безпеки експлуатації електроустановок.

3.3.9. Установки, що заземлюють, з великими струмами замикання на землю, мають складну конструкцію і розраховувати їх рекомендується способом наведених потенціалів, приймаючи двошарову модель ґрунту.

Розрахунок опору заземлювача цим способом ведеться в такій послідовності:

- за попередньою схемою розміщення заземлюючого пристрою, визначаються площа заземлювача S (м²), довжина Lг (м) горизонтальних, кількість n і довжина L_в =n l_в (м) вертикальних електродів;

Таблиця 3.7

Коефіцієнт використання h_r горизонтального смугового електрода, що з'єднують вертикальні електроди заземлювача

- складається розрахункова модель заземлювача, що являє собою квадратну сітку з взаємно пересічних смуг з вертикальними електродами по контуру квадрата (розрахункова модель і прийнята схема заземлювача мають однакові площі S, довжину горизонтальних L_г, кількість n і довжину вертикальних L_в електродів, глибину закладення t_o, м); розрахункова модель занурена в однорідний ґрунт із питомим опором, еквівалентним питомому опору двошарового ґрунту, тобто опір заземлюючого пристрою, розрахункової моделі буде дорівнювати шуканому;

- визначається довжина сторони квадрата моделі як , м;

- обчислюється кількість вічок m за однією стороною моделі

. (3.20)

Отримана величина m округляється до цілого числа, за формулою (3.20) уточнюється значення L_г, м;

- довжина сторони вічка в моделі, м

, (3.21)

- відстань між вертикальними електродами в моделі при розміщенні їх по контуру, м

; (3.22)

- відносна глибина занурення в землю вертикальних електродів у моделі

; (3.23)

- відносна довжина верхньої частини вертикального заземлювача, що знаходиться у верхньому шарі ґрунту товщиною h.

; (3.24)

- визначають розрахунковий еквівалентний питомий опір землі для заземлюючого пристрою - горизонтальної сітки з пересічних смуг з вертикальними електродами.

, (3.25)

де

при ; (3.26)

при ; (3.27)

- шуканий розрахунковий опір штучного заземлювача визначається за формулою

, (3.28)

де A = 0,444 – 0,84t_om при 0 < t_om < 0,1 А = 0,385 – 0,25t_om при 0,1 < t_om < 0,5.

Отримана величина опору розтікання заземлювача порівнюється з необхідним значенням, отриманим за формулою (3.15).

РОЗРАХУНОК ЗАНУЛЕННЯ

4.1. Мета розрахунку – визначити умови, за яких швидко вимикається пошкоджена електроустановка, тобто визначити поперечний переріз нульового дроту, який забезпечить протікання струму однофазного короткого замикання, достатнього для спрацювання максимального захисту.

Розрахунок заземлення нейтралі і повторного заземлення нульового робочого провідника, що забезпечують безпеку дотику до занулених пристроїв, ведеться відповідно до методичних вказівок до практичного заняття "Розрахунок захисного заземлення"

4.2. Вихідні дані

Характеристика установки, що захищається, (U_ном, P_ном, струм уставки автомата I_ном.а чи номінальний струм вставки запобіжника I_ном.з).

Характеристика живильного трансформатора (S_ном, схема включення).

Відстань від трансформатора до установки, що захищається, і перетин жил живильної лінії.

Виконати розрахунок занулення в електромережі напругою 380/220 В, навантаженій електродвигуном, з короткозамкненим ротором. Як засіб захисту застосовані плавкі запобіжники. Дріт, що з'єднує електродвигун з трансформатором, - алюмінієвий або мідний.

При розв'язанні задачі необхідно дати принципову електричну схему занулення з прийнятою схемою сполучення обмоток трансформатора живлення.

4.3. Розрахунок на здатність відключати

Розрахунок, ведеться по формулі

, (4.1)

де: К – коефіцієнт кратності струму, прийнятий у залежності від типу захисту електроустановки (при захисті плавкими запобіжниками К=3, а у вибухонебезпечних приміщеннях К=4; при захисті автоматичним вимикачем з електромагнітним розмикачем, що спрацьовує без витримки часу, К=1,25…1,4. Для автоматів з номінальним струмом до 100 А кратність струму короткого замикання щодо установки варто приймати рівної 1,4; для автоматів з номінальним струмом більш 100 А-1,25);

I_ном -номінальний струм вставки запобіжника або струм спрацьовування автоматичного вимикача, А, прийнятий відповідно до вимог ПУЭ (стандартні значення 1, 2, 4, 6, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 80, 100, 125, 160, 200, 225, 260, 300, 350, 500, 600, 700, 800, 1000 А);

I_k – величина струму однофазного короткого замикання, А;

Z_m – модуль опору трансформатора, Ом обумовлений з табл. 4.2;

U_ф – фазна напруга мережі живлення, В;

R_ф,R_н – активні опори фазного і нульового захисного провідників відповідно, Ом;

X_ф,X_н – внутрішні індуктивний опір фазного і нульового захисного провідників відповідно, Ом (для мідних та алюмінієвих провідників X_ф,X_н = 0);

X_n - зовнішній індуктивний опір петлі фаза нуль, Ом (для повітряних ліній X_n = 0,6 Ом/км, для кабельних ліній X_n можна приймати рівним 0).

Розрахунок слід виконувати в такій послідовності :

4.3.1. Визначаємо номінальний струм електродвигуна:

(4.2)

4.3.2. Знаходимо номінальний струм плавкої вставки запобіжника:

(4.3)

де I_дв.п – пусковий струм електродвигуна, А (у залежності від умов пуску I_дв.п = (5÷8)I_дв.н.

При цьому для для розрахунку приймають найбільше ближче стандартне значення номінального струму плавкої вставки.

4.3.3. За номінальним струмом двигуна (струмом навантаження) визначаємо за ПУЕ [3] площу поперечного перерізу фазних дротів, при цьому опір фазного дроту

(4.4)

де ρ – питомий опір провідника, Ом∙мм²/м (для міді ρ = 0,018, а для алюмінію ρ = 0,028 ); l – довжина дроту , м; S_ф – розріз фазного дроту, мм².

Для сталевих провідників активний і внутрішній індуктивний опір провідників визначається по табл. 4.1 виходячи з профілю і перетину провідника, його довжини, а також очікуваного значення аварійного струму I_k.

4.3.4. Визначаємо площу поперечного перерізу нульового дроту за умов [3], щоб повна провідність нульового захисного провідника була не меншою 50% повної провідності фазного дроту, тобто 1/Z_н ≥ 0,5 1/Z_ф, або Z_н ≤ 2 Z_ф. Для мідних та алюмінієвих дротів Х_ф і Х_н складають близько 0,0156 Ом/км і ними можна знехтувати. При цьому переріз нульового захисного провідника S_н. визначемо за умови R_н ≤ 2 R_ф, тобто якщо фазний і нульовий захисний провідники виконані з одного металу, то S_н ≥ 0,5S_ф, а якщо з різного металу, наприклад, фазний, - з міді, а нульовий захисний – з алюмінію, то переріз S_н≥0,8S_ф. Приймаємо найближчий більший стандартний переріз нульового захисного провідника. Опір нульового захисного провідника визначаємо за формулою (4.4).

4.3.5. Вибираємо за табл. 4.2 трансформатор з відповідною схемою з’єднання обмоток і комплекс повного опору його обмоток.

Таблиця 4.1

Активне r і індуктивне х опори сталевих провідників при перемінному струмі (50 Гц), Ом/км

Дані табл. 4.2 стосуються трансформаторів з обмотками нижчої напруги 400/230 В.

4.3.6. Визначаємо за формулою (4.1) дійсне значення струму однофазного короткого замикання, що проходить петлею фаза–нуль. Оскільки фазні і нульові захисні дроти виконані з кольорових металів, то розрахункова формула (4.1) матиме вигляд:

для повітряних ліній

(4.5)

де X_n – приймається рівним 0,6∙l, Ом (l – довжина петлі, км );

для кабельних ліній або дротів, прокладених у стальній трубі

(4.6)

Таблиця 4.2

Наближені розрахункові опори Z_m масляних трансформаторів

за ДСТ 11920 – 73 і 12022 – 66 з обмотками нижчої напруги 400/230 В

Розрахункове значення опору однофазного короткого замикання повинне перевищувати КI_ном .

При негативному результаті перевірки збільшують перетин проводів, переходять на зануляючі провідники з кольорових металів або наближають підстанцію.

12
3
4
5
Далее ⇒