описание лабораторной установки и

ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

 

Методические указания к лабораторной работе №6

по дисциплине

«Безопасность жизнедеятельности»

 

Волгоград 2008

УДК 69.003:658.382(076.5)

 

Исследование сопротивления заземляющих устройств: Метод. указания к лаб. раб. № 6 / Сост. В.И. Ярошенко, Н.С. Пономарева, В.П. Букаткин,- Волгоград: ВолгГАСУ, 2008

 

 

Предложена методика определения сопротивления заземляющего устройства и удельного сопротивления грунтов. Описан прибор для определения заземляющих устройств. Представлены нормируемые значения сопротивления заземляющих устройств для электроустановок напряжением до 1000 В, а также приближенные значения удельных электрических сопротивлений различных грун­тов.

 

Рекомендуется для студентов всех специальностей.

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Исследование сопротивления защитного заземляющего устройства и удельного сопротивления грунтов.

2. Ознакомление с приборами контроля сопротивления заземляющего устройства и нормативными требованиями к величине сопротивления заземляющих устройств.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Основные термины и определения

Заземление - преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических частей электроустановок.

Защитное заземление – заземление нетоковедущих частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением вследствие каких-либо аварийных ситуаций. Используется для обеспечения электробезопасности.

Рабочее заземление - заземление токоведущих частей электроустановок. Необходимо для обеспечения нормальной работы.

Заземляющее устройство (ЗУ) – совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

Заземлитель - один или несколько соединенных между собой проводников, находящихся в соприкосновении с землей.

Заземляющий проводник - проводник, соединяющий заземляемые части электроустановки с заземлителем.

Зануление - электрическое соединение металлических нетоковедущих частей с нулевым проводом сети.

Общие положения

 

Защитное заземление применяется для обеспечения защиты людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям оборудования, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции. Защитное заземление выполняют путем преднамеренного соединения (металлическими проводниками) нетоковедущих частей электроустановок с “землей” (рис.1) или ее эквивалентом.

 

а)	б)
Рис. 1. Схема защитного заземления: а – принципиальная; б – эквивалентная

 

Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжения прикосновения и шагового напряжения, возникающих при замыкании фазы на корпус. Это достигается уменьшением потенциала на корпусе заземленного оборудования (в силу малого сопротивления заземляющего устройства 4…10 Ом), а также выравниванием потенциалов заземленного оборудования и основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к потенциалу заземленного оборудования.

Заземлители могут быть естественными и искусственными. В первую очередь используются металлические и железобетонные конструкции зданий, которые должны образовывать непрерывную электрическую цепь по металлу. Естественными заземлителями могут быть проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы за исключением трубопроводов горючих и взрывчатых газов и смесей; металлические железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в непосредственном соприкосновении с землей, свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле и т.д.

В качестве заземлителей применяются обычно вертикальные и горизонтальные электроды. В качестве вертикальных электродов, располагаемых в земле, используются стальные трубы с толщиной стенки не менее 3,5 мм (обычно это трубы диаметром 50 – 60 мм) и уголковая сталь с толщиной полок не менее 4 мм (обычно это уголковая сталь размером от 40 × 40 до 60 × 60 мм), длиной 2,5 - 3,0 м. В качестве горизонтального электрода для связи вертикальных электродов применяется полосовая сталь сечением не менее 4 × 12 мм и сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм.

Различают контурное и выносное заземляющие устройства. При контурном заземлении одиночные заземлители располагаются равномерно по периметру площадки, на которой размещено оборудование, подлежащее заземлению. Внутри защищаемого контура достигается выравнивание потенциалов земли, что определяет минимальные значения напряжения прикосновения и шагового напряжения (рис. 2.).

Рис. 2. Схема заземляющего устройства: 1 – расположение зазамлителей в плане

 

Выносное заземляющее устройство размещается вне площадки, где располагается заземляемое оборудование, поэтому выравнивание потенциалов земли и корпусов заземлённого оборудования достигается в меньшей степени. Выносное заземление применяют при малых значениях тока замыкания на землю в установках напряжением до 1000 В, где потенциал заземлителя не выше допускаемого напряжения прикосновения.

Выносные заземлители используют для заземления временно установленного оборудования, а контурные – для стационарного.

Прежде чем устраивают какое-либо заземляющее устройство, его предварительно рассчитывают. Расчет защитного заземления имеет целью определить основные параметры заземления – число, размеры и размещение одиночных заземлителей и заземляющих проводников, при которых напряжение прикосновения и шага в период замыкания фазы и на заземленный корпус не превышает допустимых значений.

Сопротивление заземляющего устройства складывается из сопротивления вертикальных заземлителей и соединяющих их полосы (горизонтального электрода) и определяется по формуле:

(1)

где R_В – сопротивление одиночного вертикального электрода, Ом;

R_Г – сопротивление соединительной полосы (горизонтального электрода), Ом;

n – количество вертикальных электродов;

η_в, η_г – коэффициенты использования вертикальных электродов и горизонтального полосового электрода соответственно.

 

Коэффициент использования характеризует проводимость заземлителей вследствие их взаимного влияния. Иногда коэффициент использования именуется коэффициентом экранирования. Значение коэффициента использования зависит от формы, размеров и размещения электродов, входящих в заземляющее устройство, а также от их числа и расстояния между соседними электродами.

Для определения сопротивления одиночного вертикального заземлителя существует ряд формул, каждая из которых отражает сопротивление электрода определенной формы (в виде шара, полушария, трубы, стержня и т.д.). Для вертикального заземлителя в форме трубы сопротивление определяется по следующей формуле, Ом:

(2)

где ρ – объёмное удельное сопротивление грунта, Ом · м;

l – длина электрода, м;

d – диаметр электрода, м;

h – расстояние от поверхности грунта до середины электрода, равное 0,5l + t, м;

t – глубина заложения, м.

 

Сопротивление горизонтального электрода или соединительной полосы заземлителя определяются следующим образом, Ом:

(3)

где В – ширина полосы, м;

L_n – длина соединительной полосы, которая определяется по формуле, м.

 

(4)

где n – количество заземлителей в контуре;

m – число рядов заземлителей;

a – расстояние между заземлителями, м.

 

Допускаемые значения сопротивления заземляющих устройств регламентируются правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Для электроустановок напряжением до 1000 В при изолированной нейтрали трансформатора (генератора) сопротивление защитного заземления должно быть не более 4 Ом, при мощности трансформатора более 100 кВ·А и не более 10 Ом при N<100 кВ·А. Для электроустановок напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью сопротивление, к которым присоединены нейтрали трансформаторов (генераторов), должны быть в любое время года не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 600, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока.

Заземлители находятся непосредственно в грунте, и последний оказывает влияние на их сопротивление, т. к. сам обладает определенным сопротивлением. Электрическое сопротивление грунта характеризуется его объемным удельным сопротивлением ρ, т.е. сопротивлением м³ грунта с ребром длиной 1 м. Единицей объемного удельного сопротивления является Ом·м.

Значение ρ земли колеблется в широких пределах, так как оно зависит от многих факторов: от влажности грунта, температуры, рода грунта, степени его уплотненности и времени года.

Абсолютно сухой грунт является плохим проводником тока. Малейшее увлажнение резко снижает его сопротивление.

При низкой температуре (ниже 0 ⁰С) земля обладает очень большим сопротивлением. Поэтому в районах вечной мерзлоты качественное заземление, т.е. с малым сопротивлением, выполнить очень трудно.

Из таблицы 1 приложения видно, что грунты разного рода при одних и тех же условиях имеют различные объемные удельные сопротивления. Глина хорошо проводит ток и долго удерживает влагу, поэтому в глинистой почве заземление выполнить легче, чем в других грунтах, стоимость его меньше и работает это заземление надежнее и дольше. Песок плохо проводит ток и практически не удерживает влагу. Поэтому в песчаном грунте заземление работает плохо, т.е. сопротивление его может резко возрасти при незначительных изменениях погодных условий. Чернозем и другие почвы занимают примерно среднее положение между глиной и песком.

Уплотненность, т.е. утрамбованность грунта, также влияет на удельное объемное сопротивление: чем плотнее грунт, тем меньше ρ.

Время года влияет на сопротивление грунта, поскольку атмосферные условия, изменяющиеся в течение года, изменяет содержание влаги в грунте, его температуру, количество растворенных в нем солей и др. Уменьшение удельного объемного сопротивления происходит, как правило, в весенние и осенние месяцы, когда увеличивается содержание влаги в почве. Увеличение удельного сопротивления происходит зимой вследствие замерзания, а летом вследствие испарения влаги, причем значение ρ наблюдаются зимой.

Удельное сопротивление грунта определяют посредством измерения сопротивления растеканию тока одиночного заземлителя (либо по данным табл.1 приложения) и расчета по приведенной ниже формуле (5). Одиночный заземлитель при этом должен являться копией заземлителей, из которых будет составлен контур заземления. Перед измерением одиночный заземлитель располагают в грунте на этой же глубине, на которой будут размещены и заземлители контура заземления.

, Ом·м

(5)

где R_B – сопротивление вертикального заземлителя, Ом;

l – длина электрода, м;

d – диаметр электрода, м;

h – расстояние от поверхности грунта до середины электрода, равное 0,5 + t, м;

t – глубина заложения электрода, м.

 

Полученные значения удельного сопротивления грунта приводят к наихудшим условиям посредством умножения на коэффициент сезонности (К_с), учитывающий удельное сопротивления (Ом · м) вследствие высыхания или промерзания грунта.

(6)

где i = 1, 2 или 3.

 

По результатам лабораторного опыта удельное сопротивление грунта определяют по формуле:

, Ом·м

(7)

где R – измеренное в опыте сопротивление в линии, Ом;

l – длина погружённой части электрода, м;

d – диаметр электрода, м.

 

Таблица 1 - Приближенные значения коэффициента сезонности для средней полосы

Наименование заземлителя	Кс1	Кс2	Кс3
Стержневые заземлители длиной 2,5 ÷ 3 м при глубине заложения верха 0,8 м		1,5	1,4
Протяженные заземлители на глубине 0,5 м	6,5		4,5
Протяженные заземлители на глубине 0,8 м			1,6

 

Значениями коэффициента К_с1 пользуются при наибольшем количестве осадков, выпавших во время, предшествовавшее измерению, т.е. измеренное сопротивление заземлителя соответствует наименьшему значению в году. Значениями коэффициента К_с2 пользуются при среднем количестве осадков, выпавших во время, предшествовавшее измерению, т.е. измеренное сопротивление заземлителя соответствует среднему значению в году.

Значениями коэффициента К_с3 пользуются незначительного количества осадков, выпавших во время, предшествовавшее измерению, т.е. измеренное сопротивление заземлителя соответствует наибольшему значению в году. Суждения о наибольшем, среднем и наименьшем количестве осадков носят приближенный характер.

Защитному заземлению подлежат все металлические нетоковедущие части оборудования, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции. В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных заземлению подлежат установки напряжением 42…380 В переменного тока и от 110 до 440 В – постоянного тока. Во всех случаях заземлению подлежат электроустановки напряжением 380 В и выше переменного тока и 440 В и выше – постоянного тока.

 

описание лабораторной установки и

контрольно – измерительных приборов

В лабораторной установке реальное заземляющее устройство моделируется. Установка состоит из емкости с водой, набора заземлителей и измерительного прибора (рис. 3).

 

Рис. 3. Схема лабораторной установки:

1 – ёмкость; 2 – вода; 3 и 4 – электроды; 5 – заземляющее устройство; 6 – прибор М-416

 

В качестве грунта используется водопроводная вода. Здесь и далее водопроводная вода, используемая в данной лабораторной установке, будет называться проводящей средой.

Вертикальными электродами служат стальные стержни из диаметром 2, 3, 4, 5 мм и длиной 300 мм. В качестве горизонтального электрода использована металлическая полоса.

Для измерения сопротивления заземляющих устройств используется прибор М-416 (рис. 4), действие которого основано на компенсационном методе.

 

Рис. 4. Прибор М-416 (Лицевая панель):

1 – шкала; 2 – стрелка шкалы сопротивлений; 3 – рукоятка реохорда; 4 – переключатель рода работы; 5 – кнопка включения прибора

 

Прибор М-416 состоит из трех основных узлов: источника постоянного тока, преобразователя постоянного тока в переменный и измерительного устройства; имеет специальный калибровочный резистор (реохорд) с центровой шкалой, что позволяет непосредственно отсчитывать величину измеренного сопротивления. Источником постоянного тока являются три сухих элемента напряжением по 1,5 В в каждом.

Прибор имеет четыре предела измерения:

- от 0,1 до 1000 Ом;

- от 0,5 до 500 Ом;

- от 2,5 до 200 Ом;

- от 10 до 1000 Ом.

Для присоединения соединительных проводов на приборе имеются четыре зажима, которые обозначены цифрами 1¢, 2¢, 3¢, 4¢.

Прибор М-416 выполнен в переносном виде, в пластмассовом корпусе с откидной крышкой. На лицевой панели расположены: шкала 1, рукоятка реохорда 3, кнопка включения прибора 5, четыре зажима для присоединения измерительных проводов (1¢, 2¢, 3¢, 4¢), переключатель рода работы 4 и стрелка шкалы сопротивлений 2.

 

Порядок выполнения работы

 

Задание 1. Измерение сопротивления заземляющего устройства.

1. Перед началом измерений необходимо проверить прибор М-416 на работоспособность. Для этого установить переключатель рода работы (4) в положение “контроль 5Ω”, нажать кнопку (5) и вращением лимба реохорда (3) добиться установления стрелки индикатора (2) на нулевую отметку. На шкале (1) реохорда должно быть показание 5 ± 0,35 Ом.

2. Первый опыт: постоянная глубина погружения, разный диаметр электродов. Второй опыт: постоянный диаметр электродов, разная глубина погружения.

3. Измерить сопротивление заземляющего устройства. Полученные данные занести в таблицу 2.

4. Построить график зависимости сопротивления заземляющего устройства от диаметра R = f(d) и график зависимости сопротивления заземляющего устройства от глубины погружения R = f(l). Сделать выводы полученных зависимостей сопротивления заземляющего устройства от количества и размеров заземлителей.

Таблица 2 - Сопротивление заземляющего устройства

Номер измерения	Диаметр электрода d, м	Количество заземлителей	Глубина погружения l, м	Сопротивление заземляющего устройства R, Ом

Задание 2. Изменение удельного сопротивления грунта.

Для этого устанавливается один заземлитель, измеряется его сопротивление растеканию и по формуле (7) определяется удельное сопротивление грунта. Результаты расчета занести в табл. 3. Удельное сопротивление ρ, полученное в опыте, сравнивают со значениями удельного сопротивления грунта (приложение 1, табл. 1).

 

Таблица 3 - Сопротивление одиночного заземлителя и расчётное удельное сопротивление грунта

Сопротивление одиночного заземлителя R, Ом	Длина одиночного заземлителя l, м	Диаметр одиночного заземлителя d, м	Расчетное удельное сопротивление ρизм, Ом·м

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Что такое защитное заземление? В чем его назначение?

2. От чего зависит величина сопротивления заземляющего устройства?

3. Какие нормативные требования предъявляются к величине сопротивления заземляющих устройств?

4. Как нормируется сопротивление заземляющего устройства?

5. От чего зависит удельное объемное сопротивление грунта?

 

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

 

1. В качестве источника постоянного тока для питания прибора М416 используется преобразователь переменного тока напряжением 220В с постоянным напряжением 1,5В. Схема полностью готова к использованию и не требует каких-либо манипуляций по сборке.

2. Перед включением прибора в сеть ~220В, осмотреть соединительные провода, штепсельную вилку и сетевую розетку на предмет повреждения изоляции и в случае каких-либо замечаний доложить лаборанту и преподавателю.

3. Включение в сеть прибора питания осуществляется только с разрешения преподавателя или лаборанта.

4. Установка заземляющих электродов в лабораторной установке происходит в присутствии лаборанта или преподавателя.

5. Студентам запрещается производить какие-либо пересоединения в клеммах прибора или емкости с водой.

6. После проведения опыта прибор необходимо отключить от сети путем разъединения штепсельной вилки и розетки.

7. Поставить в известность лаборанта или преподавателя об окончании измерений.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках.- М.: Энеоргоатомиздат, 1984.-448с.

2. Охрана труда в строительстве. Инженерные решения: Справочник / В.И. Русин, Г.Г. Орлов, Н.М. Неделько и д.р. – Киев: Будивэльник, 1990. – 208 с.

3. ГОСТ Р 50571 10-96. Электробезопасность. Общие требования.

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

Таблица 1 – Приближённые значения удельных сопротивлений грунтов

 

Грунт	Удельное сопротивление, R·10, Ом·м	Грунт	Удельное сопротивление, R·10, Ом·м
Возможные пределы колебаний	При влажности 10-12% к массе грунта	Возможные пределы колебаний	При влажности 10-12% к массе грунта
Песок	40 - 90		Чернозем	9 - 200
Супесок	15 - 40		Речная вода	5,0	-
Суглинок	0,4 - 15		Морская вода	0,002 - 0,01	-
Глина	0,8 - 7

 

Таблица 2 – Значения повышающего коэффициента К

 

Заземлитель	К в зависимости от климатической зоны
Ι	ΙΙ	ΙΙΙ	ΙV
Протяженный заземлитель на глубине 0,8 м	4,5-7	3,5-4,5	2-2,5	1,5-2
Стержневой заземлитель длиной 2,5 - 3 м при расстоянии от поверхности земли до заземлителя 0,8 м	1,8-2	1,6-1,8	1,4-1,6	1,2-1,4
Примерное расположение республик и областей	Карелия	Ленинградская область	Латвия	Молдавия