Конструкция заземляющих устройств

Основой заземляющего устройства является заземлитель, от конструкции которого во многом зависит безопасность людей на территории электроустановки. Одиночный заземлитель не обеспечивает безопасности людей. Распределение потенциалов на поверхности земли вокруг одиночного трубчатого заземлителя или пробое на корпус заземленного аппарата показано на рис. 1. Если измерить разность потенциалов между заземлителем в точке 0 и точками на поверхности земли а, в, с по любому из радиусов, то распределение потенциалов будет иметь форму кривой ОАВС.

Рис. 1. Распределение потенциалов на поверхности земли вокруг одиночного заземлителя

Ток замыкания 7, проходя через заземлитель и сопротивление растеканию тока с заземлителя, растекается в земле во всех направлениях. Вблизи заземлителя плотность тока максимальная. По мере удаления от заземлителя сопротивление земли из-за увеличения площади падает, что приводит к более плавному снижению потенциала земли: кривая ОАВС по мере приближения к точке С становится более пологой, а потенциал земли снижается до нуля. За пределами так называемой зоны растекания, начиная с точки с, находится зона нулевого потенциала.

Сопротивление растеканию тока с заземлителя с учетом сопротивления заземляющих проводников составляет сопротивление заземляющего устройства которое можно определить по выражению

где

U3 — напряжение на заземляющем устройстве, В;

I — ток, стекающий с заземлителя в землю, А.

Если человек попадает в зону растекания и подходит к аппарату, у которого изоляция одной из фаз повреждена, он попадает под шаговое напряжение между двумя точками земли, обусловленное растеканием тока замыкания на землю, при одновременном касании их ногами человека. Расстояние между двумя точками земли принимается равным 0,8 м.

Если человек коснется корпуса аппарата с поврежденной изоляцией, то он попадает под напряжение прикосновения, равное разности потенциалов между рукой и ногами.

Напряжением прикосновения называется напряжение между двумя точками цепи тока замыкания на землю (на корпус) при одновременном прикосновении к ним человека.

Вблизи одиночного заземлителя при пробое изоляции напряжение шага и прикосновения опасны для жизни людей, поэтому одиночные заземлители не решают проблему безопасности.

Рис. 2. Распределение потенциалов на поверхности земли:

а — при контурном выполнении заземления; б — вокруг отдельных заземлителей; в — растекание тока с заземлителем при их взаимном экранировании

Напряжения прикосновения и шага могут быть значительно снижены, если кривую снижения потенциала земли вблизи заземлителя сделать более пологой. В электроустановках напряжением свыше 1000 В, это достигается контурным размещением заземлителей в защищаемой зоне (рис. 2, а). Контур заземления состоит из ряда вертикальных заземлителей, соединенных металлической полосой. Потенциал земли в любой точке складывается из потенциалов, создаваемых отдельными электродами контура (рис. 2, б) Как видно на рис. 2, а в защищаемой зоне искусственно поднят потенциал земли по отношению к зоне нулевого потенциала, чем обеспечиваются безопасные напряжения шага и прикосновения. За пределами контура заземления происходит спад потенциала. Для устранения опасных шаговых напряжений в этих местах стремятся создать кривую спада потенциалов достаточно пологой.

При выполнении заземляющего устройства применяются естественные и искусственные заземлители. В первую очередь должны использоваться естественные заземлители, в качестве которых применяют: проложенные в земле стальные водопроводные трубы, соединенные в стыках сваркой; трубы артезианских скважин; стальная броня силовых кабелей, проложенных в земле, при их числе не менее двух; металлические конструкции зданий и сооружений, имеющие надежное соединение с землей; различного рода трубопроводы, проложенные под землей; свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле.

Не допускается использование в качестве естественных заземлителей трубопроводы горючих жидкостей и горючих или взрывчатых газов, алюминиевые оболочки кабелей, алюминиевые провода и кабели, проложенные в кабельных каналах, туннелях, блоках.

Искусственные заземлители применяются, если естественные заземлители не полностью удовлетворяют требованиям по значению сопротивления заземляющего устройства и по напряжениям прикосновения и шага.

По расположению в грунте и форме искусственные заземлители делятся на следующие группы:

углубленные: из круглой или полосовой стали, укладываемые на дно котлована по периметру фундаментов (зданий, опор, колонн);

вертикальные: из стальных вертикально ввинчиваемых или вдавливаемых в грунт стержней из круглой стали, а также из забиваемых отрезков угловой стали;

горизонтальные: из круглой или полосовой стали, уложенные горизонтально в траншею на глубине 0,5-0,7 м и используемые по прямому назначению и для связи между стержнями вертикальных заземлителей;

комбинированные, объединяющие в общую систему заземлители, перечисленные выше.

Для заземлителей обычно применяют круглую сталь диаметром 10-16 мм, полосовую сталь сечением 40 х 4 мм и угловую сталь 50 х 50 х 5 мм. Трубы для этой цели обычно не применяются из-за их дефицита.

Длина вертикальных заземлителей применяется равной: забиваемых — 2,5-3 м, ввинчиваемых и вдавливаемых 4,5-5 м. В последнее время стали применять вертикальные заземлители, погружаемые в землю на глубину от 10 до 30 м и располагаемых по контуру заземляющего устройства, выполняемого в виде сетки с квадратными или прямоугольными ячейками. Глубина заложения верха вертикальных заземлителей должна быть равна 0,6-0,7 м от уровня планировочной отметки земли, и заземлитель должен выступать над дном траншеи на 0,1-0,2 м для удобства приварки к ним соединительных горизонтальных круглых стержней (сталь круглого сечения более устойчива к коррозии, чем полосовая). Такое заглубление уменьшает сопротивление растеканию заземляющего устройства.

К каждому заземляемому элементу от заземляющей магистрали должен идти отдельный заземляющий проводник, присоединяемый сваркой к магистрали и болтом — к заземляемому элементу. Последовательное включение в заземляющий проводник заземляемых элементов не допускается.

Заземляющие и нулевые защитные проводники в электроустановках до 1 кВ должны иметь размеры не менее приведенных в табл. 1

Заглубление вертикальных заземлителей на 0,6-0,7 м уменьшает колебание сопротивления заземления растеканию тока при сезонных изменениях проводимости верхних слоев грунта: зимой — от промерзания, летом — от пересыхания. Сопротивление одного заземлителя определяется его конструктивными параметрами и удельным сопротивлением грунта. В районах с большим удельным сопротивлением земли, в скальных и каменистых структурах, где забивка вертикальных электродов невозможна, допускается прокладка горизонтальных заземлителей на меньшей глубине, чем указывалось выше, но не менее 0,15 м. Кроме того рекомендуются следующие мероприятия:

устройство вертикальных заземлителей увеличенной длины, если с глубиной удельное сопротивление земли снижается, а естественные углубленные заземлители (например, скважины с металлическими обсадными трубами) отсутствуют;

укладка вокруг горизонтальных заземлителей в скальных структурах влажного глинистого грунт с последующей трамбовкой и засыпкой щебнем до верха траншеи;

применение искусственной обработки грунта растворимыми солями NaСl, содой с целью снижения его удельного сопротивления, если другие способы не дают необходимого эффекта;

Таблица 1.

— устройство выносных заземлителей, если вблизи (до 2 км) от электроустановки есть места с меньшим удельным сопротивлением земли (берега рек, озер и т.п.)

Наименьшие размеры заземляющих и нулевых защитных проводников

Выносные заземления соединяются двумя стальными полосами с магистралями или сетками заземления на территории электроустановки. В последние годы в качестве искусственных заземлителей, применяются заземлители из электропроводящего бетона (бетэла). Достоинство этих заземлителей состоит в том, что они, обеспечивая достаточно низкое сопротивление заземления, одновременно являются элементами фундаментов зданий.

Внутреннюю сеть заземления при прокладке в зданиях подстанций выполняют из полосовой или круглой стали. Магистрали заземления прокладываются на каждом этаже подстанции из полосовой стали с сечением не менее 100 мм2 и связывают между собой стояками. Крепление шин к стене осуществляется на крюках с помощью специальных обойм (рис. 3, а) или сваркой (рис. 3, б). Допускается в сухих помещениях прокладка заземляющих шин по бетонным стенами с креплением полос путем пристреливания дюбелями из строительно-монтажного пистолета.

Рис. 3. Крепление заземляющих шин к стене: а — специальной обоймой: б — сваркой; в — стальным держателем

На рис. 3, в показано крепление шины 1 с помощью стального держателя 3, прикрепленного к стене дюбелем . Крепление заземляющих шин производится на расстоянии: 600-1000 мм на прямых участках, 100 мм на поворотах от вершин углов. 100 мм от мест ответвлений, 400-600 мм от уровня пола смещения и не менее 50 мм от нижней поверхности съемных перекрытий кабельных каналов. Соединение заземляющих проводников на рис. 4: электросваркой — 4, а, термитной сваркой — 4, б. Сварные соединения заземляющих полос с трубчатыми, уголковыми и стержневыми заземлителями представлены на рис. 6, в.

Рис. 4. Способы соединения заземляющих проводников:

а — электросваркой; б — термитной сваркой; в — соединения заземляющих полос с заземлителями

К корпусам электрических машин и аппаратов заземляющие проводники присоединяют, как правило, под заземляющий болт,

имеющийся на их корпусах. При этом должны быть предусмотрены меры против ослабления и коррозии контактных соединений. Открыто проложенные заземляющие и нулевые защитные проводники имеют отличительную окраску — по зеленому фону желтая полоса вдоль проводника. Окраске не подлежать места, предназначенные для подсоединения инвентарных переносных заземлителей. Это требование к окраске заземляющих проводников предъявляется к монтируемым электроустановкам. Согласно ПЭЭП открыто проложенные стальные заземляющие проводники должны иметь черную окраску.