«Учебно-методическое пособие для студентов всех специальностей Минск БГТУ 2007 Учреждение образования БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ОХРАНА ТРУДА. ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ ...»

Последовательность расчета:

1. Задать величину крутящего момента, передаваемого шпоночным соединением.

2. Выбрать вид шпоночного соединения с учетом диаметра вала и передаваемого крутящего момента.

3. По прил. 6, 7 определить размеры шпоночного соединения и вычертить эскиз соединения с указанием конструктивных размеров.

4. Выбрать материал шпонки и по формулам (1.18), (1.19) определить максимальный крутящий момент, передаваемый шпоночным соединением.

5. Сравнить величину максимального крутящего момента, передаваемого шпоночным соединением, с заданным.

Максимальный крутящий момент, передаваемый шпоночным соединением, не должен превышать заданный более чем на 10…25%.

2. РАСЧЕТ СОСУДОВ И АППАРАТОВ,

РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Сосудами называются герметически закрытые емкости, предназначенные для ведения химических, тепловых и других технологических процессов, а также для хранения и транспортировки газообразных, жидких и других веществ.

находящиеся под избыточным давлением, так как в процессе их взрыва при химическом или физическом превращении вещества выделяется огромное количество энергии. Например, при физическом взрыве, т. е. при внезапном адиабатическом расширении газов или паров, энергия сжатой среды в течение короткого промежутка времени (0,1 с) реализуется в кинетическую энергию осколков разрушенного сосуда и ударную волну мощностью А, Вт:

где W – работа взрыва при адиабатическом расширении газа, Дж;

t – время действия взрыва, с (порядка 0,1 с).

В свою очередь работа взрыва сосуда может быть определена по формуле где V – объем сосуда (начальный объем газа), м3 ; Р1, Р2 – начальное и конечное давления газа в сосуде, Па; m – показатель адиабаты (например, для воздуха m = 1,41).

где CР – удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, Дж/(кг°С); CV – то же при постоянном объеме.

При взрывах сосудов под давлением развиваются большие мощности, которые могут приводить к значительным разрушениям. Так, мощность, выделяющаяся при взрыве сосуда емкостью 1 м3, содержащего воздух под давлением 1,2 МПа (12 кгс/см2 ), при длительности взрыва 0,1 с составляет 28 МВт.

При взрыве парового котла давление резко снижается до атмосферного, и находящаяся в нем вода мгновенно испаряется.

Объем, занимаемый этим паром, будет примерно в 700 раз больше объема испарившейся воды.

Особенно опасны взрывы сосудов, содержащих горючую среду, так как осколки резервуаров даже большой массы (до нескольких тонн) разлетаются на расстояние до нескольких сот метров и при падении на здания, технологическое оборудование, емкости вызывают разрушения, новые очаги пожаров, гибель людей.

В связи с особой опасностью такого оборудования их изготовление и эксплуатация регламентируются «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

Эти Правила распространяются на следующие аппараты, сосуды и емкости, наиболее опасные по возможным последствиям взрывов:

а) сосуды, работающие под давлением воды с температурой выше 115°С или другой жидкости с температурой, превышающей температуру кипения, при давлении 0,07 МПа, без учета гидростатического давления;

б) сосуды, работающие под давлением пара или газа свыше 0,07 МПа;

в) баллоны, предназначенные для транспортирования и хранения сжатых, сжиженных и растворенных газов под давлением свыше 0,07 МПа;

г) цистерны и бочки для транспортирования и хранения сжатых и сжиженных газов, давление паров которых при температуре до 50°С превышает давление 0,07 МПа;

д) цистерны и сосуды для транспортирования и хранения сжатых, сжиженных газов, жидкостей и сыпучих тел, в которых давление выше 0,07 МПа создается периодически для их опорожнения;

е) барокамеры.

Материалы, используемые для изготовления сосудов под давлением, должны обеспечивать их надежную работу в течение расчетного срока службы с учетом заданных условий эксплуатации (расчетные температура, давление, состав и и др.). Они выбираются в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

Номинальную толщину стенки обечайки рассчитывают по одной из следующих формул:

– при номинальном наружном диаметре:

– при номинальном внутреннем диаметре:

где S – толщина стенки, мм; p – расчетное давление внутри сосуда, МПа; Dн, Dв – номинальные наружный и внутренний диаметры обечайки, мм; – коэффициент прочности сварного шва: для углеродистой, низколегированной, марганцовистой, хромомолибденованадиевой и высокохромистой стали = 0,8;

для углеродистой и низколегированной марганцовистой стали – в зависимости от способа сварки: при автоматической двусторонней сварке под флюсом, контактной сварке, односторонней ручной и автоматической сварке под флюсом, электрошлаковой сварке, ручной сварке в атмосфере углекислого газа и аргонодуговой сварке = 0,85, при всех других видах ручной электрической и газовой сварки = 0,8; д – нормальное допускаемое напряжение, МПа (табл. 2.1); С – прибавка к расчетной толщине стенки, мм: для обечаек, свариваемых из листа или кованых с последующей механической обработкой при толщине листа не более 20 мм С = 1; при толщине листа более мм С = 0; если наибольший минусовой допуск по толщине листа превышает 3% номинальной толщины, то в прибавке С должно быть учтено это превышение.

Расчетные формулы пригодны при соблюдении следующих условий:

– для емкостей, содержащих воду, пароводяную смесь или насыщенный пар, Нормальные допускаемые напряжения стали в зависимости от температуры стенки емкости температура – для сосудов, содержащих перегретый пар, Порядок расчета:

1. Подбирают по табл. 2.1 материал для изготовления сосуда под давлением в зависимости от особенностей технологического процесса.

2. Рассчитывают по формулам (2.4) или (2.5) толщину обечайки.

3. Проверяют условия пригодности расчетной формулы для определения толщины стенки.

2.2. Предохранительные клапаны обеспечения безопасной эксплуатации установок и предотвращения аварий. Применяются на резервуарах, котлах, емкостях, сосудах или трубопроводах для автоматического выпуска (сброса) жидких, газообразных сред и пара из системы высокого давления (при превышении давления в ней свыше допустимого) в атмосферу или в систему низкого давления.

установленного золотник клапана поднимается, открывая проходное сечение, и происходит сброс среды.

При снижении давления в аппарате до давления обратной посадки (давления закрытия) золотник опускается на седло, и сброс среды прекращается. Затем давление до клапана восстанавливается до рабочего (давления настройки) На рис. 2.1 представлено устройство наиболее широко предохранительных клапанов.

В пружинных клапанах золотник прижимается к седлу пружиной.

Усилие сжатия пружины на требуемое давление регулируется винтом.

а – рычажный: 1 – корпус; 2 – седло; 3 – тарелка; 4 – шток; 5 – рычаг; 6 – кожух;

7 – груз; 8 – цепочка; 9 – запорное устройство; б – пружинный: 1 – корпус;

2 – тарелка; 3 – стопорный винт; 4 – пружина; 5 – рукоятка; 6 – кожух Пружинные клапаны изготовляют малоподъемными и полноподъемными.

В рычажно-грузовых клапанах золотник прижимается к седлу рычагом через шарнирно соединенный с ним шток.

На рычаге стопорными винтами закреплены грузы, масса и место расположения которых на рычаге зависят от рабочего давления (давления настройки). Превышение давления рабочей среды вызывает подъем золотника и сброс среды.

внутреннему диаметру тарелки клапана определяет его тип:

где h – высота подъема клапана, см; d – внутренний диаметр тарелки клапана, см: 2,5 d 12,5.

При H 0,05 клапан считают малоподъемным, при 0,05 H 0,25 – полноподъемным.

Рычажно-грузовые клапаны изготавливают только малоподъемными: однорычажные клапаны – с одним седлом и двухрычажные – с двумя седлами. Эти клапаны – простой конструкции; отличаются постоянством усилия; могут быть использованы только в стационарных установках; не могут быть использованы для работы с противодавлением.

Малоподъемные клапаны – пропорционального действия;

характеризуются тем, что открытие клапана (подъем золотника) происходит равномерно, при превышении давления в системе над давлением начала открытия. При подъеме золотника равномерно увеличивается пропускная способность клапана. Малоподъемные клапаны используются, как правило, на несжимаемых средах.

Применению их на сжимаемых средах препятствует невысокое значение пропускной способности.

К преимуществам малоподъемных клапанов перед полноподъемными относятся: пропорциональность характеристики и способность открываться так, чтобы был обеспечен фактический аварийный расход; возможность их использования для жидких и газообразных сред.

Пружинные клапаны – более совершенной конструкции, чем рычажно-грузовые; имеют меньшую инерционность, меньшую массу и габаритные размеры; преимущественно полноподъемные.

Полноподъемные клапаны характеризуются быстротой срабатывания на полный ход золотника. Они обеспечивают высокие значения пропускной способности при сравнительно малых превышениях давления в защищаемой системе. Время открытия этих клапанов – 0,008–0,04 с.

Пропускную способность предохранительных клапанов и их число следует выбирать так, чтобы в защищаемой системе не создавалось давление, превышающее избыточное рабочее давление более чем на 0,05 МПа при избыточном рабочем давлении в системе до 0,3 МПа включительно; на 15% – при избыточном рабочем давлении в системе до 6 МПа включительно и на 10% – при избыточном рабочем давлении свыше 6 МПа.

Предохранительные устройства должны устанавливаться на патрубках или трубопроводах, непосредственно присоединенных к сосуду, и в местах, доступных для их обслуживания.

Установка запорной арматуры между сосудом и предохранительным устройством, а также за ним не допускается.

В табл. 2.2 приведены марки и характеристики наиболее употребительных предохранительных клапанов.

Количество предохранительных клапанов рассчитывают по формуле где k – коэффициент, для малоподъемных клапанов равный 0,0075, для полноподъемных – 0,015; Gк – производительность котла по пару при максимальной нагрузке, кг/ч; р – абсолютное давление пара в котле, Па.

На котлах паропроизводительностью, меньшей или равной 100 кг/ч, допускается установка одного предохранительного клапана, при паропроизводительности котла более 100 кг/ч – не менее двух предохранительных клапанов.

Пропускная способность клапана – количество рабочей среды в массовых G, кг/ч, или объемных Q, м3 /ч, единицах, сбрасываемое через клапан при установленных значениях давления на входе и выходе (противодавление), конкретных значениях температуры рабочей среды на входе в клапан и определенном ходе золотника.

Пропускную способность предохранительных клапанов для газов и паров, кг/ч, рассчитывают по формуле где p – давление под клапаном, Па (максимальное давление под клапаном должно быть не более 1,1 расчетного); a – площадь сечения клапана, cм2 ; М – молекулярная масса газов или паров:

для воздуха М = 29 кг/кмоль, для водяного пара М = 18 кг/кмоль;

Т – абсолютное значение температуры пара или воды в котле, К.

Наименование и краткая характеристика латунный фланцевый, чугунный, фланцевый, чугунный, Полноподъемные пружинные СППК4-16 Жидкие и газообразные неагрессивные До на Ру 1,6; Dу 50, 80, 100, 150 и 200 мм То же из коррозионностойких сталей, СППК4-16 Жидкие и газообразные агрессивные До Полноподъемные пружинные СППК4Р-16 Жидкие и газообразные неагрессивные До на Ру 1,6; Dу 50, 80, 100, 150 и 200 мм То же из коррозионностойких сталей, СППК4Р-16 Жидкие и газообразные агрессивные До Полноподъемные пружинные СППК4-40 Жидкие и газообразные неагрессивные До То же из коррозионностойких сталей, СППК4-40 Жидкие и газообразные агрессивные До Полноподъемные пружинные СППК4Р-40 Жидкие и газообразные неагрессивные До То же из коррозионностойких сталей, СППК4Р-40 Жидкие и газообразные агрессивные До Полноподъемные пружинные СППК4-64 Жидкие и газообразные неагрессивные До То же из коррозионностойких сталей, СППК4-64 Жидкие и газообразные агрессивные До Полноподъемные пружинные СППК4Р-64 Жидкие и газообразные неагрессивные До То же из коррозионностойких сталей, СППК4Р-64 Жидкие и газообразные агрессивные До Полноподъемный пружинный муфтовый, СППКМ-100 Жидкие и газообразные неагрессивные До То же из коррозионностойких сталей, СППК4-160 Жидкие и газообразные агрессивные До Полноподъемные пружинные СППК4Р-160 Жидкие и газообразные неагрессивные До То же из коррозионностойких сталей, СППК4-160 Жидкие и газообразные агрессивные До Малоподъемный пружинный фланцевый, Жидкие и газообразные неагрессивные От – Выпускное сечение предохранительных клапанов должно быть таким, чтобы выпускать весь избыточный пар или газ, вырабатываемый установкой в течение 1 ч, без заметного повышения предельного давления.

Порядок расчета:

1. По табл. 2.2 выбрать тип предохранительного клапана в зависимости от технологических требований, расчетного давления, температуры и характеристики среды.

2. Из соотношения (2.8) определить высоту подъема клапана h.

предохранительных клапанов.

4. Определить пропускную способность клапана с учетом запаса в зависимости от избыточного рабочего давления.

Более точный расчет предохранительных клапанов на различную рабочую среду можно провести по [8].

2.3. Предохранительные мембраны Предохранительные мембраны предназначены для защиты различных аппаратов от разрушения в случае превышения рабочего давления жидких или газообразных сред. При достижении критического давления мембраны разрушаются, обеспечивая сброс давления в аппарате. По сравнению с предохранительными клапанами мембраны имеют ряд преимуществ: в них нет подвижных частей, они обеспечивают более надежную герметичность при нормальной работе аппарата и имеют меньшую инерционность при срабатывании.

устанавливаются в следующих случаях:

предохранительных клапанов, когда эти клапаны в рабочих условиях конкретной среды не могут быть использованы вследствие их инерционности или других причин;

– перед предохранительными клапанами в случаях, когда они не могут надежно работать вследствие вредного воздействия кристаллизация, прикипание, примерзание) или возможных утечек через закрытый клапан взрыво- и пожароопасных, токсичных, экологически вредных веществ;

– параллельно с предохранительными клапанами для увеличения пропускной способности систем сброса давления;

– на выходной стороне предохранительных клапанов для предотвращения вредного воздействия рабочих сред со стороны сбросной системы и для исключения влияния колебаний противодавлений со стороны этой системы на точность срабатывания предохранительных клапанов.

К основным типам предохранительных мембран относятся разрывные, хлопающие, ломающиеся, срезные, отрывные и специальные.

предохранительные мембраны.

Важным рабочим параметром предохранительных мембран является коэффициент, характеризующий отношение разрушающего давления рразр к рабочему рраб:

Обычно значения этого коэффициента лежат в пределах от 1,2 до 1,3.

Разрывные мембраны изготовляют из тонколистовых материалов с учетом свойств и температуры рабочих сред. После установки разрывной мембраны в держателях ей придают сферическую форму, нагружая давлением выпучивания р в.

Предварительное выпучивание способствует уменьшению разницы между разрушающими давлениями при статическом и динамическом нагружениях. Исследования показывают: чем меньше разность (рразр – рраб), тем выше скорость срабатывания мембран, поэтому для формообразования разрывных мембран желательно применять максимальные значения р в. Однако в условиях пульсирующего давления с увеличением р в уменьшается число циклов нагружения, которое может выдержать мембрана.

Материалы разрывных предохранительных мембран приведены в табл. 2.3.

Варианты устройства предохранительных мембран изображены на рис. 2.2.

Материалы разрывных предохранительных мембран алюминиева АД00, АД, АД0, я сталь свинцовые Исходными данными для проектирования мембран являются разрушающее давление рразр и условный проход Dу, определяемый с учетом требуемой пропускной способности предохранительного устройства. При известном рабочем давлении рразр можно найти, пользуясь зависимостью (2.11).

Толщину мембраны рассчитывают ориентировочно по формуле где kр – коэффициент, принимаемый в пределах от 3,3 до 4,2; пч – предел прочности тонколистового материала.

а, б, в, г – варианты конструктивного исполнения элементов держателей;

1, 2 – прижимные кольца; 3 – мембрана; 4 – прокладка; 5 – винт Точность срабатывания разрывных мембран можно повысить за счет увеличения их толщины. Чтобы сохранить при этом значение pразр в заданных пределах, необходимо увеличить условный проход Dу до значений, определяемых зависимостью (2.12).

Предохранительные мембраны должны быть маркированы, при этом маркировка не должна оказывать влияние на точность их срабатывания. В маркировке указывается наименование (обозначение) или товарный знак изготовителя, номер партии мембран, тип, условный и рабочий диаметры, материал, минимальное и максимальное давление срабатывания мембран при заданной температуре и при температуре 20°С.

Порядок расчета:

1. В зависимости от требований технологического процесса определить из соотношения (2.11) величину разрушающего давления.

2. Выбрать из табл. 2.3 материал для предохранительной мембраны.

3. Определить значение условного прохода с учетом требуемой пропускной способности предохранительного устройства.

4. По формуле (2.12) рассчитать толщину мембраны.

Многое производственное оборудование (колонны, котлы, паропроводы, бойлеры, сушилки, автоклавы, теплообменники и т. п.) являются источниками теплового излучения. Нагретые поверхности такого оборудования представляют опасность для обслуживающего персонала, так как могут вызвать термические ожоги. Для предотвращения травмирования работающих, а также с целью энергосбережения необходимо предусматривать теплоизоляцию поверхностей, находящихся в пределах рабочей зоны и имеющих высокую (более 45°С) температуру.

температурными характеристиками учитывают форму изолируемой поверхности и ее размер. Толщину изоляции при заданной температуре на ее наружной поверхности определяют по следующим формулам:

поверхностей диаметром 2 м и более, а также сосудов, у которых отношение наружного диаметра к внутреннему менее двух, – для поверхностей цилиндрических сосудов с диаметром основания менее 2 м где из – коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/(мК), определяемый по средней температуре слоя в зависимости от вида изолирующего материала (табл. 2.4), Тт – температура теплоносителя, К; Тп – температура наружной поверхности изоляции, К (Тп не должна превышать 318 К); н – коэффициент теплоотдачи с поверхности к окружающей среде, Вт/(м2 ·К): для плоских поверхностей для цилиндрических – То – температура окружающей среды (воздуха в помещении), К;

d из – диаметр изолированной поверхности, м; d н – диаметр неизолированной поверхности, м.

Формулы для расчета коэффициента теплопроводности Асбестовая ткань в два слоя и более Войлок:

Минеральная вата в набивке под теплоизоляционного материала Пробка:

Теплоизоляционный шнур из минеральной ваты марки В случае замены одного теплоизолирующего материала другим термические сопротивления обоих слоев, м2 ·К/Вт, должны быть одинаковыми: R = R1 = R2. Из этого условия определяют толщину слоя вновь наносимого теплоизолирующего материала:

Порядок расчета:

1. Подобрать теплоизолирующий материал из табл. 2.4.

теплоизолирующего материала по формуле (2.15).

3. Рассчитать коэффициент теплопроводности слоев изоляции из выбранного материала (табл. 2.4) и коэффициент теплоотдачи по формулам (2.16) и (2.17).

4. Определить по формулам (2.13) и (2.14) толщину слоя теплоизолирующего материала.

3. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Основным условием устранения опасного воздействия электрического тока на организм человека, возможности возникновения пожаров является надежная изоляция токоподводящих проводов. Неправильный выбор марки и сечения проводов способствует возникновению аварийных ситуаций.

Даже в нормальных условиях изоляция постепенно теряет свои первоначальные свойства, стареет. С течением времени развиваются местные дефекты, сопротивление изоляции начинает резко уменьшаться, а токи утечки непропорционально расти. В месте дефекта появляются частичные разряды тока. Изоляция выгорает. Происходит так называемый пробой изоляции, в результате чего возникает короткое замыкание, которое, в свою очередь, может привести к пожару или поражению людей током.

Неправильный выбор сечения и марки проводов способствует быстрому развитию подобных явлений.

Чтобы исключить возникновение опасных ситуаций, провода электрических сетей должны выбираться с учетом возможных механических повреждений, увлажнения, химического воздействия, запыления, протекающего рабочего тока.

Под воздействием большого рабочего тока, на который изоляция проводов и электроустановок не рассчитана, возникает перегрев. Сопротивление изоляции начинает резко уменьшаться, что приводит к пробою изоляции и короткому замыканию. При этом мгновенно увеличивается ток во всех элементах электрической цепи и начинает выделяться большое количество тепла. Электропроводка не в состоянии отдать это тепло в окружающую среду, и, как следствие, происходит ее возгорание.

Для предотвращения таких ситуаций необходимо, чтобы конструктивные параметры сетей (марка проводов и кабелей, их прокладка, сечение жил, класс изоляции машин и т. п.) соответствовали электрическим параметрам: току, напряжению, потребляемой мощности. Устройство электрических сетей регламентируется ПУЭ [13].

3.2. Методика расчета сечения проводов и их выбора Для правильного выбора марки и сечения подводящих проводов необходимо знать вид нагрузки (активная, индуктивная), суммарную передаваемую электрическую мощность, характеристику помещений по условиям окружающей среды, тип проводки и способ ее прокладки.

Учитывая вид нагрузки и суммарную передаваемую мощность, определяют величину тока, протекающего в электрических проводах. По величине тока, марке провода, способу его прокладки, количеству жил определяют необходимое сечение провода.

3.3. Порядок расчета сечения провода 1. Дать характеристику помещения по условиям окружающей среды (прил. 8).

2. Для пожароопасных и взрывоопасных помещений установить класс опасности по ПУЭ (прил. 9).

3. Определить суммарную активную нагрузку электрических потребителей.

4. Определить суммарный ток, протекающий по проводам:

где Робщ – суммарная мощность потребителей электроэнергии, кВт; U – напряжение сети, В; cos – коэффициент мощности активной нагрузки, принимается 1.

5. Выбрать тип проводки, марку провода и способ его прокладки (прил. 10).

6. По суммарному току, протекающему по проводам, и выбранной марке провода определить его необходимое сечение (прил. 11).

4. ТЕХНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ ПОРАЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

(ПТБ).

К известным техническим способам и средствам обеспечения электробезопасности относятся: защитное заземление, зануление, выравнивание потенциалов, малое напряжение, электрическое разделение сетей, защитное отключение, изоляция токоведущих частей (рабочая, дополнительная, усиленная, двойная); компенсация токов замыкания на землю; оградительные устройства, предупредительная сигнализация, блокировка, знаки безопасности; средства защиты и предохранительные приспособления. В известной степени к защитным мерам можно отнести еще непрерывный контроль изоляции.

Ниже рассмотрены методы защиты с помощью устройств защитного заземления и зануления оборудования, а также даны методики и порядок расчета искусственных и естественных заземлителей и зануления.

Защитное заземление. Корпус электродвигателя или электрического аппарата, арматура электрического светильника или труба электропроводки в нормальных условиях не находятся под напряжением относительно земли, что достигается изоляцией от токоведущих частей. Однако при повреждении изоляции любая из этих частей может оказаться под напряжением, нередко равным фазному. Электродвигатель с пробитой на корпус изоляцией часто электрически соединен с машиной, которую он приводит в движение, например установлен на станке. Рабочий, взявшийся за рукоятки управления станком, может попасть под напряжение. Чтобы уменьшить опасность поражения людей при повреждении изоляции токоведущих частей, принимают ряд мер.

Наибольшее распространение получило защитное заземление, используемое в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В и в сетях с напряжением выше 1000 В (не зависимо от режима работы нейтрали источника питания). Под защитным заземлением понимают преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Это соединение должно иметь достаточно малое сопротивление, чтобы в случае замыкания на корпус прикосновение к нему человека не могло вызвать протекание через его тело опасного для жизни тока.

Под замыканием на корпус (электрическое замыкание на корпус) понимают случайное электрическое соединение токоведущей части с металлическими нетоковедущими частями электроустановки. Замыкание на корпус может быть результатом случайного касания токоведущей части корпуса машины, повреждения изоляции, падения провода, находящегося под напряжением, на нетоковедущие металлические части и т. п.

Заземление состоит из зарытых в землю металлических электродов, называемых заземлителями, и проводников, соединяющих их с заземляемыми частями установок. Проводники, которые служат для соединения заземлителей одного с другим и с заземляемыми частями электроустановок, называют заземляющими. Совокупность заземлителей и заземляющих проводников называется заземляющим устройством. Для заземления электроустановок должны в первую очередь использоваться естественные заземлители.

В качестве последних могут быть использованы:

а) проложенные под землей водопроводные и другие металлические трубы за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов, а также трубопроводов, покрытых изоляцией для защиты от коррозии;

б) обсадные трубы, артезианские скважины;

железобетонных конструкций зданий и сооружений, имеющие соединение с землей;

г) металлические шпунты гидротехнических сооружений;

д) свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле.

Заземляющими проводниками могут служить нулевые проводники сети, металлические конструкции зданий и сооружений, стальные трубы электропроводок, алюминиевые оболочки кабелей, полосовая или круглая сталь и т. д.

И заземлители, и заземляющие проводники должны иметь как можно меньшие размеры и сечения, определяемые их проводимостью и термической устойчивостью.

Заземляемое оборудование присоединяют к магистрали заземления отдельными проводниками. Заземляющие проводники соединяют один с другим, а также с заземлителями и заземляемыми конструкциями, как правило, сваркой, а с корпусами аппаратов, машин и другого оборудования – сваркой и болтами.

Естественные заземлители должны быть подсоединены к заземляющим магистралям электроустановок не менее чем в двух местах. В случае невозможности использования естественных заземлителей необходимо сооружать искусственные, в качестве которых применяют:

а) полосы или круглую сталь, укладываемые горизонтально на дно котлована по периметру фундаментов, – углубленные заземлители;

б) стальные стержни диаметром 10–16 мм или угловую сталь со стенками толщиной не менее 4 мм – вертикальные заземлители; длина стержневых электродов должна быть 4,5–5 м, электродов из угловой стали – 2,5–3 м; верхний конец вертикального заземлителя должен быть заглублен на 0,6–0,7 м от поверхности земли;

в) полосовую сталь – горизонтальные заземлители, которые служат для соединения вертикальных заземлителей или несут самостоятельную функцию.

Стальные заземлители должны иметь размеры не менее приведенных ниже:

Круглые оцинкованные диаметром, мм Прямоугольные использованы:

а) специально предусмотренные для этой цели проводники;

б) металлические конструкции зданий (фермы, колоны и т. п.);

в) металлические конструкции производственного назначения (подкрановые пути, каркасы распределительных устройств, галереи, площадки, шахты лифтов, подъемников, элеваторов, обрамление каналов и т. п.);

г) стальные трубы электропроводок;

д) алюминиевые оболочки кабелей;

е) металлические кожухи шинопроводов, металлические короба и лотки электропроводок;

ж) металлические стационарно открыто проложенные трубопроводы любого назначения, кроме трубопроводов горючих и взрывоопасных веществ и смесей, канализации и центрального отопления. Использование металлических оболочек трубчатых проводов, несущих тросов (при тросовой электропроводке), изоляционных трубок, металлорукавов, а также свинцовых оболочек проводок и кабелей в качестве заземляющих проводников запрещается. В помещениях и на наружных установках, для которых требуется заземление, эти оболочки должны быть заземлены и иметь надежные соединения на всем протяжении; соединительные муфты и коробки должны быть присоединены к металлическим оболочкам пайкой или болтами.

В электроустановках напряжением до 1000 В медные или алюминиевые заземляющие проводники должны иметь сечения не менее приведенных ниже, мм2 :

Заземляющие жилы кабелей или многожильных оболочке с фазными жилами В сетях с напряжением до 1000 В электроустановки заземляют в обязательном порядке, если имеется изолированная нейтраль, а в сетях выше 1000 В во всех случаях. При напряжении переменного тока выше 36 В и постоянного выше 110 В заземляют наружные установки, а также помещения повышенной опасности и особо опасные. Электроустановки не заземляют при номинальном напряжении переменного тока 36 В и ниже и постоянного тока 110 В и ниже.

Известно, что значительная часть производственных помещений химических и деревообрабатывающих предприятий содержит взрывоопасные среды. Поэтому к защитному заземлению таких помещений предъявляют повышенные дополнительные требования. Заземлению подлежат электроустановки при всех напряжениях переменного и постоянного тока, а также оборудование, установленное на заземленных металлических конструкциях (это требование не относится к элементам электрооборудования, установленного внутри заземленных корпусов). В качестве заземлителей должны применяться специально предназначенные для этого проводники (голые или изолированные). Трубы, фермы, свинцовые оболочки кабелей и другие конструкции могут служить лишь дополнительными заземляющими проводниками.

Места ввода заземляющих проводников в стены взрывоопасных помещений должны быть защищены отрезками труб или должны быть предусмотрены специальные проемы с уплотнением несгораемыми материалами. Соединение заземляющих проводников в местах вводов не допускается.

взрывоопасных помещений в любые отличающиеся по классу взрывоопасности помещения, а также в помещения с нормальной средой или наружу, отрезки труб, проходящих через стены или фундаменты зданий, должны быть заделаны раствором с обеих сторон ввода. Ответвления от магистрали заземления, проходящие через фундаментные отливки, необходимо заключать в трубы или иные жесткие оболочки.

Надежность и долговечность заземляющих устройств в значительной степени определяется правильным расчетом. Цель расчета заземляющих устройств – определить их основные параметры, позволяющие обеспечить выполнение норм, предписанных ПУЭ для данного вида установок, или допустимое напряжение прикосновения.

Защитное действие заземляющих устройств зависит от сопротивления устройства, быстроты и надежности отключения поврежденного участка электроустановки. Эти факторы, в свою очередь зависят от точности расчета заземляющего устройства, правильности его монтажа и эксплуатации. Поэтому перед вводом в эксплуатацию вновь смонтированных электроустановок и электрооборудования, а также периодически в процессе их работы проводят тщательное испытание заземляющих устройств, т. е.

выполняют комплекс работ, включающий внешний осмотр подземной и надземной частей устройства, а также измерение сопротивления отдельных его элементов. Объем, нормы и периодичность испытаний заземляющих устройств определяются технической эксплуатации электроустановок потребителей» и «Правилами электроустановок-потребителей».

Заземляющие проводники обычно окрашивают в черный цвет, что позволяет распознавать их среди других проводников.

Заземляющие проводники, проложенные в помещениях, должны быть доступны для осмотра. Это требование не относится к нулевым жилам и металлическим оболочкам кабелей, трубопроводам, скрытой электропроводке, к находящимся в земле металлоконструкциям, а также к проводникам заземления, проложенным в трубах.

Сопротивление заземляющего устройства измеряют различными приборами, из которых наиболее широкое применение получили приборы МС-08, М-416 и др.

Зануление. Электрические сети современных промышленных предприятий характеризуются значительной протяженностью и большим числом электроприемников. В этих условиях значительные трудности представляет поддержание высокого уровня сопротивления изоляции всей сети относительно земли и отыскание поврежденных участков. Нельзя не считаться и с тем, что даже при обеспечении достаточного уровня изоляции в таких сетях всегда имеются значительные емкостные токи. Исходя из этих соображений, электрические сети выполняют четырехпроводными с заземлением нейтрали. Это решение оправдывается также технологическими соображениями – возможностью использования фазного и линейного напряжения для питания силовой и осветительной сети от одного трансформатора.

В качестве основной защитной меры в этих цехах служит зануление – преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. При таком электрическом соединении, если оно надежно выполнено, всякое замыкание на корпус превращается в однофазное короткое замыкание (т. е. замыкание между фазами и нулевым проводом), при этом возникает ток такой силы, при которой обеспечивается срабатывание защиты (предохранителя или автомата) и автоматическое отключение поврежденной установки от питающей сети.

конструктивные нетоковедущие части электрооборудования, которые подлежат заземлению: корпуса машин и аппаратов, баки трансформаторов и др.

Для обеспечения автоматического отключения аварийного участка сопротивление цепи короткого замыкания должно быть достаточно малым. Поэтому к выбору заземляющих проводников, создающих вместе с фазным и нулевым проводами петлю фаза – нуль, а также к защитным аппаратам предъявляют специальные требования. Это вызвано тем обстоятельством, что от проводимости магистрального провода и ответвления от него зависит сила тока однофазного короткого замыкания, от типа защитного аппарата – время, за которое поврежденный участок отключится от сети. Чтобы обеспечить требуемую кратность K тока однофазного короткого замыкания по отношению к номинальной силе тока уставки защищаемого аппарата, правила запрещают использовать в качестве магистралей зануления свинцовые оболочки кабелей, а полная проводимость проводников зануления во всех случаях должна составлять не менее 50% проводимости фазных проводников.

Коэффициент K должен быть:

– не менее 3 – при использовании в качестве защиты плавких предохранителей и автоматических выключателей с обратно зависимой от силы тока характеристикой при установке в помещениях с нормальной средой;

– не менее 4 – при использовании предохранителей во взрывоопасных помещениях;

– не менее 6 – при использовании автоматических выключателей с обратно зависимой характеристикой во взрывоопасных помещениях;

– не менее 1,4 – для автоматических выключателей с независимой характеристикой и номинальной силой тока до 100 А при установке во взрывоопасных помещениях и в помещениях с нормальной средой;

– не менее 1,25 – то же, но для автоматических выключателей с независимой характеристикой и номинальной силой тока выше 100 А.

Правила требуют периодической проверки элементов системы зануления. Эта проверка заключается во внешнем осмотре видимой части заземляющего устройства, в осмотре с проверкой наличия цепи между зануляемым оборудованием и заземлением нейтрали источника питания, в измерении сопротивления заземления последнего.

металлической связи корпусов электрооборудования с заземленной нейтралью источника питания через нулевой провод.

Для обеспечения надежности этой связи Правилами запрещается установка в нулевом проводе предохранителей и выключателей.

Непрерывность цепи достигается сваркой отдельных участков сети зануления.

К другим требованиям для повышения эффективности системы зануления относятся заземление нейтрали питающего трансформатора и повторное заземление нулевого провода (для воздушных линий). Заземление нейтрали позволяет уменьшить напряжение на корпусе при пробое изоляции и обеспечить снижение до безопасного напряжения нулевого провода относительно земли при замыкании фазы на землю, а также осуществить защиту от перехода высшего напряжения в сеть низшего.

Повторное заземление нулевого провода в период замыкания фазы на корпус позволяет снизить напряжение прикосновения к зануленному оборудованию, что особенно важно при обрыве нулевого провода. В кабельных сетях повторные заземления нулевого провода не предусматривают, так как обрыв его маловероятен.

Таким образом, зануление, выполненное в соответствии с требованиями Правил устройства, обеспечивает отключение аварийного участка за сравнительно короткое время и снижает напряжение прикосновения.

вертикального заземляющего устройства Для расчета заземляющего устройства необходимо иметь следующие исходные данные:

нестационарный);

– исполнение сети (с изолированной или глухозаземленной нейтралью);

– напряжение сети (до 1000 В или выше 1000 В);

– мощность источника электроснабжения;

– характеристику грунта (вид грунта, состав грунта (однородный или неоднородный), влажность (малая, нормальная или повышенная));

– климатическую зону;

– тип заземлительного устройства (горизонтальный или вертикальный);

– вид заземлителей (стержни, трубы, уголки);

– размеры вертикальных заземлителей (длина стержня, трубы или уголка, их диаметр или ширина полки для уголков);

– отношение расстояния между стержнями к их длине;

– размеры горизонтального заземлителя (соединительной полосы), определяемого по расчету, и ширину полосы;

– глубину заложения вертикальных или горизонтальных заземлителей.

При расчете определяется число заземлителей и величины сопротивления заземляющего устройства по формулам, приведенным в табл. 4.1.

Расположение заземлителей предварительно принимают по четырехугольному контуру при числе стержней от 4 до 100 и в один ряд при числе стержней от 2 до 20 (см. рисунок на с. 50).

Для стержневого круглого, трубчатого и уголкового заземлителя, расположенного вертикально в земле, сопротивление растеканию тока Rв, Ом, определяется по формуле где расч.в – расчетное удельное сопротивление грунта для вертикального заземлителя, Омм; l в – длина вертикального заземлителя, м; d – диаметр заземлителя, м; заземляющие устойства из уголковой стали в виде стержней, забиваемых в грунт, рассчитывают, исходя из соотношения размеров полки и диаметра труб, составляющего d = 0,95 b п, где b п – ширина полки уголка; t – расстояние от поверхности земли до середины заземлителя, м.

Формулы для вычисления сопротивления единичных заземлителей растеканию тока Полушаровой у поверхности земли Шаровой в земле Трубчатый или стержневой у поверхности Протяженный полосовой Протяженный круглого сечения – стержень, труба, поверхности земли Кольцевой круглого Кольцевой круглого Круглая пластина на поверхности земли (пластина поставлена на Примечание. В формулах – удельное сопротивление грунта, Омм (1 Омм – сопротивление куба грунта с ребром длиной 1 м); все размеры подставляются в метрах, при этом R будет выражено в Омах.

а – вертикальное; б – горизонтальное; в – размещение вертикальных заземлителей в плане (в ряд); г – размещение вертикальных заземлителей по контуру; д – размещение горизонтальных заземлителей, уложенных параллельно; l в – длина вертикального заземлителя, м; d – диаметр вертикального заземлителя, м; L в – расстояние между вертикальными заземлителями, м; h г – глубина заложения заземлителей, м; t – расстояние от середины заземлителя до поверхности земли, м; L с.п – длина соединяющей полосы, м; b п – ширина соединяющей полосы, м; l г – длина Потребное число вертикальных заземлителей n п.в определяется с учетом коэффициента их использования (табл. 4. и 4.3), с учетом их расположения по четырехугольному контуру или в один ряд (см. рисунок выше):

где Rд – наибольшее допустимое сопротивление заземляющего устройства (табл. 4.4); и.в – коэффициент использования вертикальных заземлителей. При и.в = 1 получаем теоретическое число заземлителей nт.в, шт., без учета коэффициента их использования.

Коэффициент и.в использования вертикальных электродов группового заземлителя (труб, уголков и т. п.) Отношение расстояний между электродами к их длине Lв / lв Число заземлит елей Примечания: 1. Коэффициент использования группового заземлителя, точнее использования проводимости группового заземлителя, есть отношение действительной проводимости этого заземлителя 1/Rгр к наибольшей возможности его проводимости при бесконечно больших расстояниях между его электродами 1/ R : и.гр = R /Rгр.

2. Коэффициент использования характеризует степень взаимного экранирования электродов, составляющих групповой заземлитель, и зависит от формы электродов, их числа и взаимного расположения.

3. Коэффициенты использования вертикальных стержневых электродов, расположенных на одной прямой или по контуру (см. рис. б, в, г), даны без учета влияния горизонтального электрода, связывающего их друг с другом. Для учета полосы связи (горизонтального электрода) см.

табл. 4.3.

заземлителя) Lс.п, м, определяют по формуле где Lв – расстояние между вертикальными заземлителями, м (принимается не менее длины заземлителя).

Определяют сопротивление Rг, Ом, растеканию тока в горизонтальном заземлителе (соединяющей полосе):

где расч.г – расчетное сопротивление растеканию тока в горизонтальном заземлителе (соединяющей полосе), Ом; h з – расстояние от поверхности земли до соединительной полосы, м;

b п – ширина соединительной полосы, м.

горизонтальной соединительной полосе учитывается коэффициент использования этого заземлителя и.г с учетом числа вертикальных заземлителей и их расположения по четырехугольному контуру или в ряд (табл. 4.3).

Коэффициент и.г использования горизонтального полосового электрода, соединяющего вертикальные электроды (трубы, уголки и т. п.) группового заземлителя Число вертикал Наибольшие допустимые значения сопротивлений заземляющих устройств в электроустановках Характеристика установок Электроустановки напряжением выше 1000 В Защитное заземление в установках с большими токами замыкания на землю Защитное заземление в установках с малыми токами замыкания на землю (до использовании заземляющего устройства:

а) одновременно для электроустановок 125 / I, но не более 10 (I – б) только для электроустановок выше 250 / I, но не более 10 (I – с компенсацией емкостных токов:

компенсирующие емкостный ток замыкания на землю, Установки с глухим заземлением нейтрали при линейных напряжениях, В:

а) генераторов или трансформаторов:

б) повторное заземление нулевого рабочего провода воздушной линии электропередачи (ВЛ):

в) все повторные заземления нулевого рабочего провода ВЛ (суммарное сопротивление):

п/п Установки с изолированной нейтралью:

генераторов и трансформаторов проводов, установленных на железобетонных опорах, а также опор в сетях с изолированной нейтралью, закрепленных нижним концом на высоте менее 2,5 м от земли Примечания: 1. Сопротивления заземляющих устройств в любое время года не должны быть больше указанных значений.

2. К п. 2. В установках с малыми токами замыкания на землю заземляющие устройства можно рассчитывать в соответствии с указаниями п. 2, принимая в качестве расчетного ток срабатывания релейной защиты от междуфазных замыканий или ток плавления предохранителей, если эта защита обеспечивает отключение замыканий на землю. При этом ток замыкания на землю должен быть не менее 1,5-кратного тока срабатывания релейной защиты или 3-кратного номинального тока предохранителей.

3. К п. 3. При удельном сопротивлении земли > 10 Омм допускается увеличивать указанные нормы в отношении / 100, но не более чем в 10 раз.

4. К п. 4а. Если генераторы или трансформаторы работают параллельно, то сопротивление 10 Ом допускается при их суммарной мощности, не превышающей 100 кВА.

5. К п. 4в. В сетях с заземленной нейтралью крюки и штыри фазных проводов, устанавливаемые на железобетонных опорах, а также арматура этих опор должны быть присоединены к нулевому заземленному проводу.

Заземляющие и нулевые защитные проводники должны иметь диаметр не менее 6 мм. Крюки и штыри, устанавливаемые на деревянных опорах, не заземляют, исключая подлежащие заземлению по условиям защиты от атмосферных перенапряжений, а также устанавливаемые на опорах, где выполнено повторное заземление нулевого провода.

6. К п. 4г. Оттяжки вместо заземления могут быть изолированы при помощи натяжного изолятора, рассчитанного на напряжение ВЛ и установленного на высоте не менее 2,5 м от земли. В сетях с глухозаземленной нейтралью оттяжки опор должны быть присоединены к нулевому заземленному проводу.

7. Сопротивления заземляющих опор ВЛ выше 1000 В приведены в ПУЭ.

8. Правила устройства электроустановок предусматривают отступления от приведенных требований к устройству заземлений в районах с большим удельным сопротивлением земли.

9. Для заземлений электроустановок различных назначений и напряжений следует применять одно общее заземляющее устройство.

Исключения допускаются при наличии соответствующих требований ПУЭ.

10. Сопротивление заземляющего устройства, используемого для заземления электроустановок различных назначений и напряжений, должно удовлетворять требованиям к заземлению того электрооборудования, для которого необходимо наименьшее сопротивление заземляющего устройства.

При параллельно уложенных горизонтальных полосовых электродf группового заземлителя коэффициент использования г.п определяют по табл. 4.5.

Коэффициент использования г.п параллельно уложенных горизонтальных полосовых электродов группового заземлителя (ширина полосы b п = 20…40 мм, глубина заложения h г = 0,3…0,8 м, параллельных Общее сопротивление заземляющего устройства Rобщ, Ом, определяют из соотношения Порядок расчета вертикального заземляющего устройства:

1. Определить наибольшее допустимое сопротивление Rд растеканию тока в заземляющем устройстве (табл. 4.4).

2. Определить приближенное удельное сопротивление грунта (табл), рекомендуемое для расчета (табл. 4.6).

Приближенные значения удельных электрических сопротивлений табл, Омм, различных грунтов и воды Вода:

Примечания: 1. Удельное электрическое сопротивление грунта есть сопротивление куба грунта с ребром 1 м.

2. При малом процентном содержании влаги в грунте возможны большие значения сопротивлений.

3. Удельные сопротивления грунтов колеблются в течение года, что учитывают при расчетах введением так называемых сезонных коэффициентов сопротивления грунта (см. табл. 4.7–4.9)/ климатической зоне и данным табл. 4.7–4.8.

для определения коэффициентов сезонности Средняя многолетняя высшая От +16 От +18 От +22 От + Среднегодовое количество осадков, см Продолжительность замерзания вод, сутки Примечание. Изменение значения удельного сопротивления грунта различно в течение года в разных климатических зонах страны, а следовательно, в этих зонах различны и коэффициенты сезонности.

4. Определить значение коэффициента сезонности для горизонтального заземлителя (Kс.г) по заданной климатической зоне и данным табл. 4.7–4.8. Для многослойных грунтов коэффициент сезонности Kс.м.с определяют по табл. 4.9.

Коэффициенты сезонности K с.в и K с.г для однородной земли K с.г для горизонтального электрода длиной l в = 10 м Примечания: 1. При проектировании заземляющих устройств в качестве расчетного необходимо брать наибольшее возможное в течение года значение удельного сопротивления земли табл, т. е. ориентироваться на худший вариант.

Измерение изм в самое неблагоприятное время при наиболее неблагоприятной погоде на практике затруднено. Поэтому данные измерения производят, как правило, в теплое время года (май – октябрь) и измеренное удельное сопротивление изм умножают на коэффициенты сезонности Kс.в и Kс.г, учитывающие возможности повышения сопротивления в течение года и состояние (увлажненность) земли во время измерений. В итоге рассчитывают:

для вертикальных заземлителей расч.в = изм Kс.в, для горизонтальных расч.г = изм Kс.г.

2. Считают, что земля повышенной влажности, если измерению ее сопротивления предшествовало выпадение большого количества (свыше нормы) осадков; нормальной влажности, если измерению предшествовало выпадение небольшого количества (близкого к норме) осадков; малой влажности, если земля сухая, количество осадков в предшествующий измерению период ниже нормы.

3. Заглубление электродов, т. е. расстояние от поверхности земли до верхнего конца вертикального электрода hв и до горизонтального электрода hг, равно 0,7–0,8 м.

Коэффициент сезонности K с.м.с для слоя сезонных изменений в многослойной земле при измерении ее сопротивления Климатическая Примечания: 1. См. примечания 1, 2 к табл. 4.8.

2. Для многослойной земли при получении значений удельных сопротивлений изм нескольких слоев на коэффициент сезонности Kс умножают значения изм только слоев, лежащих в пределах толщины слоя сезонных измерений.

вертикальных заземлителей определить по формуле горизонтальных заземлителей:

7. Определить расстояние от поверхности земли t, м, до середины вертикального заземлителя (рис.):

8. Определить сопротивление растеканию тока Rв, Ом, в одном вертикальном заземлителе (см. формулу (4.1)).

9. Определить теоретическое число вертикальных заземлителей nт.в, шт., без учета коэффициента использования и.в, т. е. и.в = 1:

10. По табл. 4.2 определить коэффициент использования вертикальных заземлителей и.в с учетом их расположения.

11. Определить потребное число n п.в, шт., вертикальных одинаковых заземлителей с учетом коэффициента использования (см. формулу (4.2)).

12. Определить расчетное сопротивление расч.в, Ом, растеканию тока в вертикальных заземлителях без учета влияния соединяющей полосы:

заземлителями Lв, м, по отношению Lв / l в = 1.

14. Определить длину соединяющей полосы Lс.п, м, горизонтального заземлителя (электрода) (см. формулу (4.3)).

горизонтальном заземлителе (соединяющей полосе) Rг.с.п, Ом:

горизонтального заземлителя при расположении вертикальных заземлителей согласно исходным данным или по четырехугольному контуру при отношении Lв/l в = 1 и потребном числе вертикальных заземлителей n п.в (табл. 4.3). При параллельно уложенных горизонтальных заземлителях и.г определяют по табл. 4.5.

17. Определить расчетное сопротивление Rрасч.г, Ом, растеканию тока в горизонтальном заземлителе (соединяющей полосе) при n г = 1:

18. Определить общее расчетное сопротивление Rобщ, Ом, растеканию тока в вертикальных и горизонтальном заземлителях:

соединительных проводников и материал, сечение, толщину магистральной шины.

20. Дать схему соединения оборудования с магистральной шиной и соединение магистральной шины с заземляющим устройством (соединительной полосой).

Наименьшие размеры заземляющих и нулевых защитных проводников Характеристика Нормируемы Заземляющие и нулевые жилы кабелей и общей защитной оболочке с фазными жилами Полосовая сталь Водогазопроводные трубы Толщина (стальные) трубы (стальные) стенки, мм Примечания: 1. Сечение медных нулевых защитных проводников допускается 1 мм2, при прокладке в трубах и фазные проводники имеют то же сечение.

2. В электроустановках выше 1000 В с глухозаземленной нейтралью сечения заземляющих проводников выбраны так, чтобы при протекании по ним расчетных токов однофазных замыканий на землю температура заземляющих проводников не превысила 400°С (кратковременный нагрев, соответствующий времени действия основной защиты).

3. В электроустановках до и выше 1000 В с изолированной нейтралью проводимость заземляющих проводников должна составлять не менее 1/ проводимости фазных проводников, а сечение – не менее приведенных в табл. 4.10. Не требуется применения проводников сечением, мм2: медных – более 25, алюминиевых – 35, стальных – 120. В производственных помещениях с электроустановками выше 1000 В магистрали заземления из стальной полосы должны иметь сечение не менее 120, а до 1000 В – не менее 100 мм2. В указанных случаях допустимо применение круглой стали той же проводимости.

4. В электроустановках до 1000 В с глухим заземлением нейтрали с целью обеспечения автоматического отключения аварийного участка нулевые защитные проводники выбирают таким образом, чтобы при замыкании на корпус или на нулевой проводник возникал ток короткого замыкания, превышающий не менее чем в три раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя и номинальный ток расцепителя автоматического выключателя с обратной зависимой от тока характеристикой. При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель (отсечку), нулевой защитный проводник выбирается таким образом, чтобы в цепи фаза – нуль был обеспечен ток короткого замыкания, равный уставке тока мгновенного срабатывания, величину которого умножают на коэффициент, учитывающий разброс (по заводским данным), и на коэффициент запаса, равный 1,1. При отсутствии заводских данных для автоматов с номинальным током до 1000 А кратность тока короткого замыкания относительно уставки принимают равной 1,4, для автоматов с номинальным током до 100 А – 1,25. Полная проводимость нулевых защитных проводников во всех случаях не менее 50% проводимости фазного проводника.

Если настоящие требования не удовлетворяются в отношении тока замыкания на корпус или на нулевой проводник, отключение при этих замыканиях обеспечивают при помощи специальных защит. Условия в отношении тока отключения проверяются испытаниями или измерениями до пуска электроустановки в эксплуатацию, а также периодически в процессе ее эксплуатации.

5. В электроустановках до 1000 В с глухозаземленной нейтралью нулевые защитные проводники рекомендуется прокладывать совместно или в непосредственной близости с фазными.

равноценную изоляции фазных проводников. Исключения допускаются в случаях применения шин в щитках, шкафах, сборках, шинопроводах и т. п., при этом должен быть обеспечен надежный контакт между шинами и конструкцией, к которой они прикреплены.

7. Нулевой рабочий проводник рассчитывается на длительное протекание рабочего тока. Использование металлоконструкций зданий, трубопроводов и оборудования в качестве нулевого рабочего проводника запрещается.

21. Составить паспорт на заземляющее устройство.

Наименьшие размеры заземлителей приведены в табл. 4.11.

Наименьшие размеры стальных заземлителей Примечания: 1. Для заземления электроустановок в первую очередь используют естественные заземлители. Если эти заземлители имеют сопротивление растеканию, удовлетворяющее требованиям ПУЭ, то искусственного заземлителя не требуется.

2. Для устройства искусственных заземлителей допустимо применение электропроводящего бетона.

3. Заземлители не должны иметь окраски. Не следует размещать заземлители в местах, где земля подсушивается под действием тепла трубопроводов и других источников тепла. В случае опасности усиленной коррозии заземлителей применяют один из следующих способов: а) использование оцинкованных или омедненных заземлителей (электродов);

в) электрическая защита против коррозии.

горизонтального заземляющего устройства Для расчета заземляющего устройства необходимо иметь следующие исходные данные: наименование защищаемого устройства и его вид (стационарный или нестационарный);

напряжение сети; исполнение сети; тип заземляющего устройства;

размеры заземлителей (длина и ширина полосы); расположение заземлителей (параллельное или нет); расстояние между параллельными заземлительными полосами; глубина заложения заземлителей; вид грунта; характеристика грунта по однородности состава и влажности; климатическая зона.

Расчет сводится к определению числа параллельно уложенных заземлительных полос и величины сопротивления растеканию тока (рис. д). Полученное расчетное сопротивление растеканию тока должно удовлетворять требованиям ПУЭ, ПТЭ, ПТБ (табл. 4.4).

Теоретическое сопротивление Rг, Ом, растеканию тока в одном горизонтальном заземлителе рассчитывают по зависимости (табл. 4.1) где расч.г – расчетное удельное сопротивление растеканию тока грунта для горизонтальных заземлителей, Омм; l п – длина горизонтальной полосы, м; h з – глубина расположения горизонтальной полосы, м; b г – ширина полосы, м.

горизонтальных заземлителей определяют по формуле (4.7).

Значения табл и Kс.г принимают по табл. 4.6 и 4.8.

Потребное число n г.п горизонтальных заземлителей (полос) рассчитывают по приведенному ниже соотношению с использованием данных табл. 4.4 и 4.5.

Расчетное сопротивление Rрасч.г, Ом, растеканию тока в заземляющем устройстве будет равно Порядок расчета:

условными обозначениями (рис. 4.1д).

2. Определить наибольшее допустимое нормированное сопротивление Rд, Ом, растеканию тока в заземлительном устройстве (табл. 4.4).

3. По табл. 4.6 определить приближенное удельное сопротивление грунта.

4. Определить значение коэффициента сезонности Kс.г для заданного вида и характеристики грунта с учетом климатической зоны (табл. 4.8).

5. Определить расчетное удельное сопротивление расч.г, Омм, грунта для горизонтальных заземлителей (см. формулу (4.15)).

6. Определить теоретическое сопротивление растеканию тока в одном горизонтальном заземлителе (см. формулу (4.14)).

7. Определить теоретическое число горизонтальных заземлителей n.г без учета коэффициента их использования и.г, т. е. примем и.г = 1:

8. Определить коэффициент использования параллельно уложенных горизонтальных заземлителей и.г (табл. 4.5).

заземлителей (полос) n п.г (см. формулу (4.15)).

10. Определить расчетное сопротивление Rрасч.г, Ом, растеканию тока в заземлительном устройстве (см. формулу (4.15)).

Полученное расчетное сопротивление растеканию тока должно удовлетворять требованиям ПУЭ, ПТЭ, ПТБ 4.4. Методика и порядок расчета заземляющего устройства с использованием естественного заземления Для расчета данного типа заземляющего устройства необходимо иметь следующие исходные данные: наименование защищаемого объекта и его вид (стационарный или нестацонарный); напряжение сети и ее исполнение; вид естественного заземления (например, свайное основание здания);

величина измеренного сопротивления растеканию тока в естественном заземлителе тип дополнительного искусственного заземления (например, вертикальный из труб);

размер заземлителей (длина l в и их диаметр d); расположение заземлителей; ширина соединительной полосы b п; вид и характеристика грунта (состав, влажность, агрессивность) и климатическая зона.

Если величина измеренного сопротивления растеканию тока в естественном заземлителе Rе.з превышает требования ПУЭ, ПТЭ и ПТБ (табл. 4.4), то к естественному заземлительному устройству предусматривается дополнительное искусственное.

Методика расчета искусственного вертикального и горизонтального устройства были рассмотрены выше.

Ниже приведем порядок расчета комбинированного (включающего естественное и искусственное) заземлительного устройства.

Порядок расчета:

1. Принять тип дополнительного искусственного заземления, например вертикальный из труб.

2. Определить допустимое (нормированное) сопротивление Rд, Ом, растеканию тока в заземлительном устройстве (естественном и искусственном) согласно ПУЭ (табл. 4.4).

3. Определить расчетное сопротивление Rрасч.и.з, Ом, растеканию электрического тока в искусственном заземлении.

При известном (измеренном) естественном сопротивлении растеканию тока в естественном заземлителе Rе.з 4. Определить табл – приближенное удельное сопротивление грунта, рекомендуемое для расчета (табл. 4.6).

5. Определить Kc.в – коэффициент сезонности для вертикальных заземлителей длиной l в по заданной климатической зоне и влажности грунта (табл. 4.8).

6. Определить расч.в – расчетное удельное сопротивление грунта для вертикальных заземлителей (см. формулу (4.6)).

7. Определить расстояние t от поверхности земли до середины заземлителя (трубы, стержня).

8. Определить Rв, Ом, – сопротивление растеканию тока в одном вертикальном заземлителе (см. формулу (4.1)).

9. Определить n т.в., шт, – теоретическое число вертикальных заземлителей без учета и.в – коэффициента использования, т. е.

и.в = 1 (см. формулу (4.9)).

вертикальных заземлителей с учетом их расположения (в один ряд или по четырехугольному контуру) и при отношении Lв/lв = (табл. 4.2).

11. Определить n п.в – потребное число вертикальных использования n и.в (см. формулу (4.2)).

12. Определить расчетное сопротивление R расч.в, Ом, растеканию тока в вертикальных заземлителях (n п.в ) без учета влияния горизонтального заземлителя (соединяющей полосы) (см. формулу (4.10)).

13. Определить Lв, м, – расстояние между вертикальными заземлителями при отношении Lв / l в = 1.

горизонтального заземлителя (полосы) (см. формулу (4.3)).

15. Определить значение Kс.г – коэффициента сезонности для горизонтального заземлителя, соединяющего вертикальные заземлители и естественный заземлитель при длине Lс.п, заданной влажности и заданной климатической зоне (табл. 4.8).

16. Определить расч.г, Омм, – расчетное удельное сопротивление грунта для горизонтального заземлителя (см.

формулу (4.7)).

17. Определить R г, Ом, – сопротивление растеканию тока в горизонтальном заземлителе (соединяющей полосе) (см.

формулу (4.14)).

горизонтального заземлителя при принятом расположении вертикальных заземлителей при отношении Lв / l в = 1 и расчетном (потребном) их количестве n п.в (табл. 4.3).

19. Определить Rрасч.г, Ом, – расчетное сопротивление растеканию тока в горизонтальном заземлителе (соединяющей полосе) при их числе n г и величине и.г – коэффициента использования горизонтального заземлителя (см. формулу (4.16)).

20. Общее расчетное сопротивление R.., Ом, растеканию горизонтальных) определить по формуле (4.13).

21. Определить Rобщ.е.и, Ом, – общее сопротивление растеканию тока в естественном и искусственном заземлителях:

Полученное общее расчетное сопротивление растеканию тока в естественном и искусственном заземлителях должно удовлетворять требованиям ПУЭ, ПТЭ и ПТБ (табл. 4.4).

4.5. Методика и порядок расчета зануления Для расчета зануления необходимо иметь следующие исходные данные: напряжение сети; потребляемая электрооборудованием мощность; режим работы оборудования для определения коэффициента, характеризующего отношение пускового тока к номинальному (принимается по каталогу на электрооборудование: для электродвигателей с фазным ротором принимается = 1,5–2, для двигателей с короткозамкнутым электродвигателя при номинальной мощности (определяется по паспорту); коэффициент мощности cos (принимается равным 0,8–0,9).

Расчет сводится к определению величины тока короткого замыкания и подбору сечения зануляющего проводника.

В четырехпроводной сети напряжением 380/220 В или 220/127 В ток однофазного короткого замыкания Iк.з, А, определятся по формуле где Uф – фазное напряжение сети, В; r пр, r дв, r н – соответственно активные сопротивления фазного провода, двигателя, нулевого провода, Ом; Хдв – общее индуктивное сопротивление двигателя, Ом; Zт – полное сопротивление трансформатора. Вследствие небольших значений этой величины в практических расчетах ею пренебрегают.

Быстрое и надежное отключение электроустановки при коротком замыкании будет обеспечено при условии, если:

1) при защите сети плавкими предохранителями Iк.з 3Iн.вст (для невзрывоопасных помещений);

Iк.з 4Iн.вст (для взрывоопасных помещений);

2) при защите сети автоматическими выключателями с электромагнитными расцепителями Iк.з 1,25Iср.эл.м (для невзрывоопасных помещений);

Iк.з 2Iср.эл.м (для взрывоопасных помещений), где Iср.эл.м – ток срабатывания (ток уставки) электромагнитного расцепителя (наименьший ток, на который он отрегулирован).

Ток срабатывания Iср.эл.м должен превышать максимальный ток Imax не менее чем на:

Iср.эл.м 1,35Imax (для для автоматов АЗ120, АЗ130, АЗ140);

Iср.эл.м 1,65Imax (для для автоматов АЗ110);

Iср.эл.м 1,215Imax (для для автоматов АП50).

Порядок расчета зануления:

1. По каталогу на электрооборудование определить коэффициент, характеризующий отношение пускового тока к номинальному.

2. По паспорту на электродвигатель определить коэффициент его полезного действия.

3. Определить сos – коэффициент мощности (принимается равным 0,8–0,9).

4. Определить Iн, А, – номинальный ток, потребляемый электродвигателем при работе:

где Pн – потребляемая мощность, кВт; Uн – напряжение сети, В.

5. Определить Iпуск – пусковой ток электродвигателя:

где – отношение Iпуск / Iн.

6. Определить – коэффициент, зависящий от режима перегрузки предохранителя, его типа и условий пуска электродвигателя (табл. 4.12).

Малоинерцио Безинерционн при Iн.вст = 60А коэффициента принимается равным 2,5.

предохранителя:

По полученному значению принимаем плавкую вставку с током Iн.вст, равным расчетному или ближайшему большему по шкале номинальных токов плавких вставок предохранителей Iн.вст, 6, 10, 15, 20, 25, 35, 45, 60, 80, 100, 125, 160, 200, 225, 250, 300, 350, 430, 500, 600, 700, 850, 1000.

8. По принятому значению Iн.вст подобрать материал и сечение подводящих проводников (прил. 11). Определить для них предельно допустимый ток.

9. По справочнику [2] найти значения сопротивлений 10. Определить rн – активное сопротивление нулевого провода:

где – удельное сопротивление материала провода, Ом м; l – принятая длина участка нулевого провода одинакового сечения из одного материала, м; s – принятая площадь поперечного сечения провода, мм2, исходя из условия, что площадь поперечного сечения нулевого провода должна быть в два раза меньше сечения токопроводящих проводов.

11. Определить r пр – активное сопротивление фазного провода:

где l ф – принятая длина токопроводящих проводов,.

12. Рассчитать I к.з – ток короткого замыкания (см.

формулу (4.19)).

Условие выполняется, если отношение Iк.з / Iн.вс > 3 и, следовательно, действие зануления обеспечено.

5. МОЛНИЕЗАЩИТА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

молниеприемник, непосредственно воспринимающий удар молнии, токоотвод, соединяющий молниеприемник с заземляющим устройством, заземляющее устройство, служащее для отвода тока молнии в землю.

пространство, которое практически не может быть поражено прямыми ударами молнии. Для эффективности защиты объектов необходимо, чтобы все его части находились в зоне защиты.

Молниеотводы в зависимости от типа молниеприемника разделяются на стержневые и тросовые, а по количеству совместно действующих молниеотводов – на одностержневые, двукратные и многократные.

устанавливать один стержневой молниеотвод в центре крыши здания, для помещений длиной от 15 до 25 м – один молниеотвод около наружной продольной стены здания (на середине его длины) на расстоянии не менее 4 м от стены.

Для зданий длиной от 25 до 70 м и шириной до 18 м целесообразна установка двукратных стержневых молниеотводов.

При ширине больше 18 м, а длине от 50 до 100 м защиту следует создавать многократными молниеотводами.

При устройстве молниезащиты следует руководствоваться требованиями РД 34.21.122–87 [2].