Расчет заземляющих устройств

Расчет заземляющих устройств сводится главным образом к расчету собственно заземлителя, так как заземляющие проводники в большинстве случаев принимаются по условиям механической прочности и устойчивости к коррозии. Исключение составляют лишь установки с выносным заземляющим устройством. В этих случаях рассчитывают последовательно сопротивление соединительной линии и сопротивление заземлителя, чтобы суммарное сопротивление не превышало расчетного.
Расчет сопротивления заземлителя проводится в следующем порядке:
1. Устанавливается необходимое по ПУЭ допустимое сопротивление заземляющего устройства . Если заземляющее устройство является общим для нескольких электроустановок, то расчетным сопротивлением заземляющего устройства является наименьшее из требуемых.
2. Определяется необходимое сопротивление искусственного заземлителя с учетом использования естественного заземлителя, включенного параллельно, из выражений

или

где — расчетное сопротивление заземляющего устройства по п. 1; — сопротивление искусственного заземлителя; — сопротивление естественного заземлителя.
3. Определяется расчетное удельное сопротивление грунта с учетом повышающих коэффициентов, учитывающих высыхание грунта летом и промерзание его зимой.
При отсутствии точных данных о грунте можно воспользоваться табл. 12-1, где приведены средние данные по сопротивлениям грунтов, рекомендуемые для предварительных расчетов.

Таблица 12-1 Удельное сопротивление грунтов
Наименование грунта	Удельное сопротивление	Наименование грунта	Удельное сопротивление
Глина (слой 7—10 м, далее скала, гравий) Глина каменистая (слой 1—3 м, далее гравий) Земля садовая Известняк Лесс Мергель Песок Песок крупнозернистый с валунами Скала	70 100 50 2000 250 2000 500 1000 4000	Суглинок Супесок Торф Чернозем Вода: грунтовая морская прудовая речная	100 300 20 30 50 3 50 100

Примечание: Удельные сопротивления грунтов определены при влажности 10-20% к массе и на глубине 1,5 м.

Повышающие коэффициенты k для различных климатических зон приведены в табл. 12-2 для горизонтальных и вертикальных электродов.
4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода по формулам из табл. 12-3. Эти формулы даны для стержневых электродов из круглой стали или труб. При применении углов для вертикальных электродов в качестве диаметра подставляется эквивалентный диаметр уголка

где b — ширина сторон уголка.

Таблица 12-2 Значения коэффициента k для различных климатических зон
Данные, характерезующие климатические зоны и тип применяемых электродов	Климатические зоны
	1	2	3	4
1. Климатические признаки зон: Средняя многолетняя температура (январь), °С Средняя многолетняя высшая температура (июль), °С Среднее количество осадков, см Продолжительность замерзания вод, дни 2. Коэффициент k а) при применении стержневых электродов длиной 2—3 м и глубине заложения их вершин 0,5—0,8 м б) при применении протяженных электродов и глубине заложения их вершин 0,8 м	От -20 до -15 Oт +16 до +18 40 190—170 1,8-2,0 4,5-7,0	От -14 до -10 От +18 до +22 50 150 1,5-1,8 3,5-4,5	От -10 до 0 От +22 до +24 50 100 1,4-1,6 2,0—2,5	От 0 до +5 От +24 до +26 30-50 0 1,2-1,4 1,5-2,0

Таблица 12-3 Расчет сопротивлений растеканию одного электрода
Тип заземлителя	Расположение заземлителя	Формула	Пояснения
Вертикальный у поверхности земли
Вертикальный ниже уровня земли
Горизонтальный протяженный ниже уровня земли			b — ширина полосы; если землитель круглый диаметром d, то b=2d
Пластинчатый вертикальный ниже уровня земли			a и b — размеры сторон пластины
Кольцевой горизонтальный ниже уровня земли			b —ширина полосы; если заземлитель круглый диаметром d, то b=2d

5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей n при предварительно принятом коэффициенте использования :

где — необходимое сопротивление искусственного заземлителя.
Коэффициенты использования вертикальных заземлителей даны в табл. 12-4 в случае расположения их в ряд и в табл. 12-5 в случае размещения их по контуру без учета влияния горизонтальных электродов связи.
6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов по формулам из табл. 12-3. Коэффициенты использования горизонтальных электродов для предварительно принятого числа вертикальных электродов принимаются по табл. 12-6 при расположении их в ряд и по табл. 12-7 при расположении их по контуру.

Таблица 12-4 Коэффициенты использования вертикальных электродов
Отношение расстояния между вертикальными электродами к их длине	Число вертикальных электродов в ряду
1	2 3 5 10 15 20	0,84—0,87 0,76—0,80 0,67—0,72 0,56—0,62 0,51—0,56 0,47—0,50
2	2 3 5 10 15 20	0,90—0,92 0,85—038 0,79—0,83 0,72—0,77 0,66—0,73 0,65—0,70
3	2 3 5 10 15 20	0,93—0,95 0,90—0,92 0,85—0,88 0,79—0,83 0,71—0,80 0,74—0,79

Таблица 12-5 Коэффициенты использования вертикальных электродов
Отношение расстояния между вертикальными электродами к их длине	Число вертикальных электродов в ряду
1	4 6 10 20 10 60 100	0,66—0,72 0,58—0,65 0,52—0,58 0,44—0,50 0,38—0,44 0,36—0,42 0,33—0,39
2	4 6 10 20 10 60 100	0,76—0,80 071—0,75 0,66—0,71 0,61—0,66 0,55—0,61 0,52—0,58 0,49—0,55
3	4 6 10 20 10 60 100	0,84—0,86 0,78—0,82 0,74—0,78 0,68—0,73 0,64—0,69 0,62—0,67 0,59—0,65

Таблица 12-6 Коэффициенты использования горизонтальных электродов
Отношение расстояния между вертикальными электродами к их длине	Коэффициент использования при числе вертикальных электродов в ряду n
	4	5	8	10	20	30	50	65
1 2 3	0,77 0,89 0,92	0,74 0,86 0,90	0,67 0,79 0,85	0,62 0,75 0,82	0,42 0,56 0,68	0,31 0,16 0,58	0,21 0,36 0,49	0,20 0,34 0,47

Таблица 12-7 Коэффициенты использования горизонтальных электродов
Отношение расстояния между вертикальными электродами к их длине	Коэффициент использования при числе вертикальных электродов в контуре n
	4	6	8	10	20	30	50	70	100
1 2 3	0,45 0,55 0,70	0,40 0,48 0,64	0,36 0,48 0,60	0,34 0,40 0,56	0,27 0,32 0,45	0,24 0,30 0,41	0,21 0,28 0,37	0,20 0,26 0,35	0,10 0,24 0,33

7. Уточняется необходимое сопротивление вертикальных электродов с учетом проводимости горизонтальных соединительных электродов из выражений

или

где — сопротивление растеканию горизонтальных электродов, определенное в п. 6.
8. Уточняется число вертикальных электродов с учетом коэффициентов использования по табл. 12-4 или 12-5:

Окончательно принимается число вертикальных электродов из условий размещения.
9. Для установок выше 1000 В с большими токами замыкания на землю проверяется термическая стойкость соединительных проводников по формуле (12-5).

Пример 12-1. Требуется рассчитать заземление подстанции 110/10 кВ со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 100 кВ 3,2 кА; наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 10 кВ 42 А; грунт в месте сооружения подстанции — суглинок; климатическая зона 2; дополнительно в качестве заземления используется система тросы — опоры с сопротивлением заземления 1,2 Ом.

Решение
1. Для стороны 110 кВ требуется сопротивление заземления 0,5 Ом. Для стороны 10 кВ по формуле (12-6)

где расчетное напряжение на заземляющем устройстве принято равным 125 В, так как заземляющее устройство используется также для установок подстанции до 1000 В. Таким образом, в качестве расчетного принимается сопротивление .
2. Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использования системы тросы — опоры;

3. Рекомендуемое для предварительных расчетов удельное сопротивление грунта в месте сооружения заземлителя — суглинке по приведенным выше данным составляет 100 Ом⋅м. Повышающие коэффициенты для климатической зоны 2 по табл. 12 2 принимаются равными 4,5 для горизонтальных протяженных электродов при глубине заложения 0,8 м и 1,8 для вертикальных стержневых электродов длиной 2—3 м при глубине заложения их вершины 0,5—0,8 м.
Расчетные удельные сопротивления:
для горизонтальных электродов

для вертикальных электродов

4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода — уголка № 50 длиной 2,5 м при погружении ниже уровня земли на 0,7 м по формуле из табл. 12-3:

где

5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования :

6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов — полос 40 X 4 мм2, приваренных к верхним концам уголков. Коэффициент использования соединительной полосы в контуре при числе уголков порядка 100 и отношении по табл. 12-7 равен: .
Сопротивление растеканию полосы по формуле из табл. 12-3

7. Уточненное сопротивление вертикальных электродов

8. Уточненное число вертикальных электродов определяется при коэффициенте использования , принятом из табл. 12-5 при n=100 и :

Окончательно принимается 117 уголков.
Дополнительно к контуру на территории подстанции устраивается сетка из продольных полос, расположенных на расстоянии 0,8—1 м от оборудования, с поперечными связями через каждые 6 м. Дополнительно для выравнивания потенциалов у входов и въездов, а также по краям контура прокладываются углубленные полосы. Эти неучтенные горизонтальные электроды уменьшают общее сопротивление заземления; проводимость их идет в запас.
9. Проверяется термическая стойкость полосы 40 X 4 мм2. Минимальное сечение полосы из условий термической стойкости при к. з. на землю по формуле (12-5) при приведенном времени прохождения тока к. з.

Таким образом, полоса 40 X 4 мм2 условию термической стойкости удовлетворяет.

По результатам примера 12-1 можно видеть, что при достаточно большом количестве вертикальных электродов горизонтальные электроды, соединяющие верхние концы вертикальных, весьма слабо влияют на результирующее расчетное сопротивление контура заземления. При этом также обнаруживается дефект существующей методики расчета для случаев, когда требуется достаточно малое сопротивление контура. В выполненном примерном расчете этот дефект выявился в том, что учет дополнительной проводимости контура от горизонтальной соединительной полосы привел не к уменьшению потребного количества вертикальных электродов, а наоборот, к его увеличению примерно на 5%. На основании этого можно рекомендовать в подобных случаях рассчитывать необходимое количество вертикальных электродов без учета дополнительной проводимости соединительных и других горизонтальных полос, полагая, что их проводимость будет идти в запас надежности.

Пример 12-2. Требуется рассчитать заземление подстанции с двумя трансформаторами 6/0,4 кВ мощностью 400 кВ⋅А со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыкании на землю со стороны 6 кВ 18 А; грунт в месте сооружения — глина; климатическая зона 3; дополнительно в качестве заземления используется водопровод с сопротивлением растеканию 9 Ом.
Решение
Предполагается сооружение заземлителя с внешней стороны здания, к которому примыкает подстанция, с расположением вертикальных электродов в один ряд на длине 20 м; материал — круглая сталь диаметром 20 мм, метод погружения — ввертыванием; верхние концы вертикальных стержней, погруженные на глубину 0,7 м, приварены к горизонтальному электроду из той же стали.
1. Для стороны 6 кВ требуется сопротивление заземления, определяемое формулой (12-6):

где расчетное напряжение на заземляющем устройстве принято равным 125 В, так как заземляющее устройство выполняется общим для сторон 6 и 0,4 кВ. Далее согласно ПУЭ сопротивление заземлителя не должно превышать 4 Ом.
Расчетным, таким образом, является сопротивление заземления .
2. Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использовании водопровода в качестве параллельной ветви заземления:

3. Рекомендуемое для расчетов сопротивление грунта в месте сооружения заземлителя — глины по табл. 12-1 составляет 70 ОмЧм. Повышающие коэффициенты для климатической зоны 3 но табл. 12-2 принимаются равными 2,2 для горизонтальных электродов при глубине заложения 0,8 м и 1,5 для вертикальных электродов длиной 2—-3 м при глубине заложения их вершины 0,5—0,8 м.
Расчетные удельные сопротивления грунта:
для горизонтальных электродов

для вертикальных электродов

4. Определяется сопротивление растеканию одного стержня диаметром 20 мм и длиной 2 м при погружении ниже уровня земли на 0,7 м по формуле из табл. 12-3:

6. Определяется сопротивление растеканию горизонтального электрода из круглой стали диаметром 20 мм, приваренного к верхним концам вертикальных стержней. Коэффициент использовании горизонтального электрода в ряду из стержней при числе их примерно равном 5 и отношении расстояния между стержнями к длине стержня в соответствии с табл. 12-6 принимается равным 0,86.
Сопротивление растеканию горизонтального электрода по формуле из табл. 12-3