Расчет молниезащитного устройства
12-01-2010, 06:54. Разместил: administrator
В состав построек на приусадебном участке, кроме жилого дома, входят гараж и сараи для хранения сена и кормов. В связи с развитием фермерских хозяйств объемы этих помещений возрастают и в дальнейшем будут возрастать, в силу чего необходимо определить, какой категории молниезащиты они требуют.
Правилами пожарной безопасности в Российской Федерации (ППБ-01-93) в гаражах для хранения транспортных средств воспрещается проводить ремонтные работы с использованием бензина, керосина, дизельного топлива и других растворителей для промывки деталей, а также окраску, сварку и любые работы, связанные с открытым огнем. В гаражах разрешается хранение 20 литров топлива и 5 литров масла.
Но специфика работы сельского труженика заключается в том, что половину года он работает в поле или на огороде, а половину года он ремонтирует технику или занимается строительством.
Гараж с наступлением холодов и окончанием полевых работ превращается в ремонтную мастерскую, в которой производят не только разрешенные ремонтные работы, но все работы, которые необходимы. Гараж, как правило, приспосабливают для проведения ремонтных работ — в нем оборудуют смотровую яму, подвешивают таль, устанавливают компрессор и т.д. Запас топлива и масел хранится, как правило, под навесом в бочках у гаража или в гараже.
В период полевых работ техника работает в напряженном режиме, и ее поломки неизбежны. Ремонт техники производят в гараже. Этот период совпадает с периодом интенсивной грозовой деятельности, и гараж должен быть отнесен ко II категории по устройству молниезащиты, так как в гараже возможно образование взрывоопасной смеси в результате аварии или неисправности (например, случайно опрокинули таз, в котором промывались детали в бензине, и т.д.).
Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) складское помещение, в котором хранятся твердые и волокнистые горючие вещества, относится к классу П-На. К пожароопасным помещениям класса П-Иа необходимо и отнести сараи, в которых в течение летнего и осеннего периода сосредоточивается зимний запас кормов для скота (сена, комбикормов, ячменя и т.д.). Эти строения по устройству молниезащиты должны быть отнесены к III категории. На рис. 2 изображен единичный стержневой молниеотвод, состоящий из молниеприемника, молниеотвода и заземлителя. Эти элементы присущи любой конструкции молниеотвода.
Степень защищенности от прямых ударов молнии определяется размерами зоны защиты.
Так, зона защиты типа «А» обладает меньшими размерами, но обеспечивает степень надежности 99,5%, в то время как зона «Б», обладая большими размерами, обеспечивает степень надежности только на 95% Размеры зоны защиты, образуемые молниеотводами, определяются формулами:
Для расчета молниезащиты построек на приусадебном участке с помощью одиночного молниеотвода ниже приведена таблица
Для расчета молниезащиты построек на приусадебном участке с помощью одиночного молниеотвода ниже приведена таблица основных его параметров, вычисленных по приведенным формулам.
Рис. 2. Единичный стержневой молниеотвод: 1 — молниеприемник; 2 — молниеотвод; 3 — заземлитель
Используя значения п, можно определить вероятное число ударов молнии в год N в конкретное здание и сооружение, не имеющее молниезащиты. И в зависимости от величины N и огнестойкости строения произвести выбор типа молниезащиты.
Для строения III, IV и V степени огнестойкости при N>2 — защита типа «А», а при N<2 — типа «Б».
Пример 2. На рис. 3 представлена часть плана приусадебного участка, на котором нанесено два строения, одно из которых — жилой дом, совмещенный с хозяйственными службами (в постройках старого типа именуемый «двором»), где содержатся куры, скотина, а также хранятся сухие корма, сено и дрова — строение 1. Другим строением является жилой дом — строение 2. Дома деревянные V степени огнестойкости. Размеры домов и их взаимное расположение представлены на рис. 3. Застройка — Курская область.
Требуется определить место расположения и высоту одиночного стержневого молниеотвода, обеспечивающих защиту этих строений.
Решение. Строение 1 относится к III категории. Тип зоны защиты зависит от показателя N.
По карте рис. 1 определяем среднегодовую продолжительность гроз в Курской области, которая составляет от 80 до 100 час. По табл. 1 определяем среднее число ударов молнии в год на 1 км2 поверхности земли, которое равно 12.
Расчетные данные по строению 1 следующие:
Следовательно, принимается защитная зона типа «Б».
Для строения 2 такого расчета производить не требуется, так как в строении отсутствуют пожароопасные помещения.
Для строения 2, как для жилого дома, принимается защитная зона типа «Б». Выбираем место для возведения молниеотвода. Оно должно удовлетворять следующим требованиям: при минимальной высоте молниеотвода в зоне его защиты должно находиться максимальное число приусадебных построек, место расположения молниеотвода должно быть труднодоступным (например, защищено посадкой кустарников и находиться от строения не ближе 5 метров) В том случае если молниеотвод или какая-либо деталь молниеотвода (например, оттяжка) будет находиться ближе 5 метров от зданий III, IV и V степени огнестойкости, необходимо напротив нее на здании проложить токоотвод и присоединить его под землей к заземлителю.
Рис, 3. Определение типа защитной зоны и параметров для графического расчета стержневого молниеотвода
Для выбора места возведения молниеотвода целесообразно вычертить в масштабе план участка (подобно рис. 3), на котором будут указаны размеры зданий, в том числе и их высота, с учетом выступающих над крышей дымовых труб и антенн.
Место возведения молниеотвода определяется методом проб. Для этого необходимо проработать не менее трех вариантов и выбрать из них лучший — имеющий минимальную высоту при максимальной защите приусадебных построек.
Для иллюстрации расчетов, связанных с выбором места возведения молниеотвода и определением его высоты, продолжим решение примера 2.
На рис. 3 показано расположение молниеотвода по отношению к строениям 1 и 2.
Наиболее высокой и наиболее удаленной от молниеотвода точкой строения 1 является точка А, принадлежащая антенне. Ее высота составляет Н = 7,0 м, при удалении от молниеотвода на L = 16,0 м. Наиболее высокой и наиболее удаленной от молниеотвода точкой строения 2, также принадлежащей антенне, является точка Б. Ее высота составляет Н = 10,6 м при удалении от молниеотвода на расстояние L — 12 м. Как было сказано выше, единичный молниествол образует зону защиты в виде конуса, за пределы которого части строения не должны выступать. По мере увеличения высоты молниеотвода размеры конуса увеличиваются и задача определения высоты молниеотвода — это подобрать такие размеры защитного конуса, при которых даже самые высокие и удаленные точки строения не выходили бы за его пределы.
Рис. 4. Графическое определение высоты единичного стержневого молниеотвода
Учитывая, что размеры молниеотвода будут получены путем графических построений, точность которых зависит от масштаба и качества чертежа, наиболее целесообразно его выполнять на миллиметровой бумаге (миллиметровке) в масштабе не менее 1 метр натуры в 1 сантиметре чертежа.
Чертеж необходимо начать с построения графика параметров молниеотводов в соответствии с табл. 2, для чего по горизонтальной оси в выбранном масштабе отложить значения Ro, а по вертикальной — Но. Отложенные точки попарно соединить прямыми линиями, как это показано на рис. 4. В том же масштабе отложить координаты точек А и Б. Определить размеры Ro и Н0 конуса, за пределы которого точки А и Б не выходят. По величине Но (по табл.2) определить Н. Точки А и Б находятся внутри конуса, Н0 которого равно 18,4 м, что соответствует полной высоте молниеотвода по табл. 2 (Н=20 м).
В строениях с металлической крышей она же является и молниеприемником, поэтому соединена с заземлителем. Этот вид молниезащиты, как правило, рассчитан на защиту конкретного строения. Заземляющее устройство не зависит от формы и размеров молниеприемника, и при расчете первого в
случае использования металлической крыши в качестве молниеприемника можно воспользоваться сведениями, приведенные выше (одиночный стержневой молниеотвод).
Прежде чем приступить к расчету заземляющего устройства с достаточно малым сопротивлением, необходимо ознакомиться со свойствами земли и условиями, при которых между электродами заземления и землей может образоваться электрическое соединение с малым переходным сопротивлением. Электрофизические свойства земли, в которых находится заземлитель, определяются ее удельным сопротивлением р. За удельное сопротивление земли принимается сопротивление земли между противоположными плоскостями куба с ребрами в 1 м.
Как было сказано, наша страна располагается в семи климатических поясах, температура и влажность в которых разнятся в широких пределах. Для проектирования жилых зданий территория России по физико-географическим признакам разделяется на четыре района. На рис. 5 представлена карта России (со странами СНГ), на которой обозначены границы этих районов. Однако свойства земли (грунта) со сменой времен года будут меняться даже в пределах одного района. При расчетах этот факт учитывается в сезонном коэффициенте Кс.
Удельное сопротивление грунта измеряется при средней влажности и положительной температуре в Ом • метрах или Ом ■ сантиметрах (1 Ом - метр = 100 Ом ■ сантиметрам). Сезонный коэффициент Кс всегда больше единицы и призван компенсировать сезонное увеличение удельного сопротивления грунта.
Удельные сопротивления грунтов р и значения сезонных коэффициентов Кс приведены в таблицах 3 и 4.
Приведенные в таблице 3 данные относятся к грунтам, влажность которых — 10— 20% к их весу. Но грунт не однороден. Верхняя часть грунта на глубину около метра более подвержена намоканию, высыханию и промораживанию, что значительно изменяет удельное сопротивление верхней части грунта. Слои грунта, лежащие ниже уровня промерзания, имеют более стабильные показатели по влажности и температуре. За-землители могут быть выполнены в виде вертикальных электродов или электродов в виде горизонтальных полос. Для того чтобы расположить электроды в более влажных и непромерзающих слоях грунта, их заглубляют так, чтобы верхняя часть вертикальных электродов находилась на глубине 0,7— 1,0 м, а горизонтальные — полностью находились на этой глубине.
Рмс. 5. Карта схематического районирования территории России и стран СНГ по физико-географическим признакам
Верхний пахотный слой земли на приусадебном участке — это одна из самых больших ценностей крестьянского двора. Слой чернозема наращивается трудом нескольких поколений и именно слой чернозема имеет решающее значение в получении урожая. Раскрытие и прокладка коммуникаций в крестьянском дворе, как правило, производится под дорогами, так как рытье канав связано с перемешиванием грунта, а следовательно, и потерей плодородного слоя. Заземлители молниеотводов, во избежание шагового поражения людей, должны располагаться в стороне от пешеходных дорожек, а следовательно на земле, которая может быть использована для выращивания различных культур, в силу чего разрытие должно быть минимальным. Этим требованиям удовлетворяет заземляющее устройство с вертикальными заземлителями.
Основной электрической характеристикой заземлителя является сопротивление растеканию тока. Предположим, что в земле находится электрод и через него происходит замыкание на землю (рис. 6). Вокруг электрода образуется электрическое поле и зона повышенных потенциалов, которые по мере удаления от электрода уменьшаются и на расстоянии 20 м становятся близкими к 0. Это явление называется растеканием тока. В зоне растекания тока находиться опасно. Как показано на рис. 6, передние ноги лошади находятся ближе к заземлителю в зоне потенциала V2, а задние ноги — под потенциалом Vi. Лошадь в данном случае является сопротивлением, к которому приложена разность потенциалов V2—Vi. В результате по лошади (через передние ноги, тело лошади и задние ноги) будет протекать ток, сила которого равна J = V2—Vi / R лошади, что может вызвать поражение электрическим током, называемое напряжением шага.
Рис. 6. Растекание тока от единичного электрода заземлителя
Зная величину удельного сопротивления грунта и длину электродов, можно, пользуясь приближенной формулой из таблицы 5, определить сопротивление растеканию одиночного электрода.
Искусственные заземлители, как правило, состоят из нескольких электродов, соединенных между собой проводниками. В том случае, если исключить их взаимное влияние друг на друга, расстояние между ними в заземлении должно быть не менее 25 м. Чем ближе находятся электроды один от другого, тем в большей степени сказывается их взаимное влияние. Для учета взаимного влияния электродов устанавливается коэффициент использования заземлителей г].
В таблице 6 приведены коэффициенты использования вертикальных электродов, размещенных в ряд.
* а — расстояние между электродами в м; 1 — длина электрода в м.
Сопротивление заземлителей при растекании тока молнии называется импульсным, и его определяют по формуле
где:
R — сопротивление заземлителей при низкой частоте и малых плотностях токов на поверхности — при токах промышленной частоты;
аи — импульсный коэффициент; RH — сопротивление заземлителей при растекании тока молнии — импульсное сопротивление.
Импульсное сопротивление непосредственному измерению не поддается, поэтому его оценивают косвенно по сопротивлению при промышленной частоте RH и импульсному коэффициенту аи. Но импульсный коэффициент аи зависит от удельного сопротивления земли. Он тем меньше, чем больше удельное сопротивление грунта. Значение импульсного коэффициента аи в зависимости от удельного сопротивления грунта при вертикальных электродах представлено в таблице 7.
Связь между сопротивлениями при импульсе и промышленной (низкой) частоте представлена в таблице 8.
Пример 3. Необходимо определить величину сопротивления заземлителей на промышленной частоте для присоединения к нему импульсного заземлителя с сопротивлением 40 Ом * ргр. = 500 Ом * м.
Решение. Импульсному заземлителю величиной 40 Ом соответствует заземлитель, рассчитанный по переменному току, сопротивление которого равно 60 Ом. В качестве технических способов электрозащиты в сельском доме применяются зануление и молниезащита. В ряде случаев требуется повторное заземление нулевого провода. Его необходимо выполнять на концах воздушных линий или ответвлениях длиной более 200 м, а также на вводах в здания, установки которых подлежат заземлению. Сопротивление каждого из повторных заземлителей на линиях 380/220 В — 30 Ом.
От прямых ударов молнии здания и сооружения II категории защищают заземли-телями с импульсным сопротивлением не более 10 Ом, а в грунтах с удельным сопротивлением 500 Ом * м и выше — с сопротивлением не более 40 Ом.
От прямых ударов молнии здания и сооружения III категории защищают заземли-телями с импульсным сопротивлением не более 20 Ом, а в грунтах с удельным сопротивлением 500 Ом * м и выше допускается не более 40 Ом. Для защиты ферм крупного рогатого скота и конюшен сопротивление не должно превышать 10 Ом.
Заноса высокого потенциала в здания и сооружения II категории можно избежать при применении кабельного ввода или кабельной вставки длиной не менее 50 м, а внешние наземные металлические коммуникации на вводе необходимо присоединить к грозозащитному или повторному заземлению.
Защиту зданий III категории от заноса высоких потенциалов по линиям электросети можно осуществить с помощью мер, предусмотренных для зданий II категории или благодаря присоединению к защитному заземлению внешних металлических коммуникаций на вводе, включая штыри и крюки изоляторов (рис. 7).
Пример 4. Определить количество электродов заземлителя, изготовленных из стали диаметром 12 мм, длиной 5 м. В за-землителе электроды расположены в ряд с расстоянием 5 м и соединены между собой стальным прутком диаметром 12 мм.
Приусадебный участок расположен под Москвой. Грунт участка — песок с удельным сопротивлением 750 Ом-м (р^. = 750 Ом-м.). Решение. На участке расположены строения, относящиеся по классификации зданий и сооружений по устройству молниеза-щиты к зданиям III категории. Импульсное сопротивление заземлителя не должно превышать 20 Ом, а в грунтах с удельным сопротивлением 500 Ом ■ м и выше — не более 40 Ом.
По таблице 8 методом интерполяции устанавливаем, что импульсному сопротивлению в 40 Ом при удельном сопротивлении грунта ргр. ~ 750 Ом • м соответствует сопротивление заземления, равное 70 Ом (R = 70 Ом). Определим значение удельного сопротивления грунта с учетом сезонного коэффициента Кс (см. табл. 4). По карте схематического районирования страны (рис. 5) определяем, что земли Подмосковья относятся ко второму климатическому району, сезонный коэффициент которого для электродов длиной 6 м равен 1,25.
Пользуясь приближенной формулой, приведенной в табл. 5, определяем сопротивление одиночного электрода:
где 1 — длина электрода.
Рис. 7. Заземление крюков изоляторов
При расположении электродов в один ряд с расстоянием между ними 5 м, отношение расстояния между электродами к длине электрода равно L (а/1 =1). Предварительно определяем число электродов в заземлителе, равное 3, и по табл. 6 определяем коэффициент использования ч, который принимаем равным 0,8. Это означает, что действительное сопротивление одного электрода в заземлителе из трех стержней вследствие их взаимного влияния будет равно:
Устанавливаем, что заземляющее устройство состоит из трех электродов, связанных между собой металлическим прутком, диаметр которого 12 мм и длина 10 м, заглубленных в грунт на 0,7—1,0 м. С этого прутка также будет происходить растекание тока, что дает нам право уменьшить количество электродов с 3,34 до 3,0 штук.
Правилами пожарной безопасности в Российской Федерации (ППБ-01-93) в гаражах для хранения транспортных средств воспрещается проводить ремонтные работы с использованием бензина, керосина, дизельного топлива и других растворителей для промывки деталей, а также окраску, сварку и любые работы, связанные с открытым огнем. В гаражах разрешается хранение 20 литров топлива и 5 литров масла.
Но специфика работы сельского труженика заключается в том, что половину года он работает в поле или на огороде, а половину года он ремонтирует технику или занимается строительством.
Гараж с наступлением холодов и окончанием полевых работ превращается в ремонтную мастерскую, в которой производят не только разрешенные ремонтные работы, но все работы, которые необходимы. Гараж, как правило, приспосабливают для проведения ремонтных работ — в нем оборудуют смотровую яму, подвешивают таль, устанавливают компрессор и т.д. Запас топлива и масел хранится, как правило, под навесом в бочках у гаража или в гараже.
В период полевых работ техника работает в напряженном режиме, и ее поломки неизбежны. Ремонт техники производят в гараже. Этот период совпадает с периодом интенсивной грозовой деятельности, и гараж должен быть отнесен ко II категории по устройству молниезащиты, так как в гараже возможно образование взрывоопасной смеси в результате аварии или неисправности (например, случайно опрокинули таз, в котором промывались детали в бензине, и т.д.).
Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) складское помещение, в котором хранятся твердые и волокнистые горючие вещества, относится к классу П-На. К пожароопасным помещениям класса П-Иа необходимо и отнести сараи, в которых в течение летнего и осеннего периода сосредоточивается зимний запас кормов для скота (сена, комбикормов, ячменя и т.д.). Эти строения по устройству молниезащиты должны быть отнесены к III категории. На рис. 2 изображен единичный стержневой молниеотвод, состоящий из молниеприемника, молниеотвода и заземлителя. Эти элементы присущи любой конструкции молниеотвода.
Степень защищенности от прямых ударов молнии определяется размерами зоны защиты.
Так, зона защиты типа «А» обладает меньшими размерами, но обеспечивает степень надежности 99,5%, в то время как зона «Б», обладая большими размерами, обеспечивает степень надежности только на 95% Размеры зоны защиты, образуемые молниеотводами, определяются формулами:
Для расчета молниезащиты построек на приусадебном участке с помощью одиночного молниеотвода ниже приведена таблица
Для расчета молниезащиты построек на приусадебном участке с помощью одиночного молниеотвода ниже приведена таблица основных его параметров, вычисленных по приведенным формулам.
Рис. 2. Единичный стержневой молниеотвод: 1 — молниеприемник; 2 — молниеотвод; 3 — заземлитель
Используя значения п, можно определить вероятное число ударов молнии в год N в конкретное здание и сооружение, не имеющее молниезащиты. И в зависимости от величины N и огнестойкости строения произвести выбор типа молниезащиты.
Для строения III, IV и V степени огнестойкости при N>2 — защита типа «А», а при N<2 — типа «Б».
Пример 2. На рис. 3 представлена часть плана приусадебного участка, на котором нанесено два строения, одно из которых — жилой дом, совмещенный с хозяйственными службами (в постройках старого типа именуемый «двором»), где содержатся куры, скотина, а также хранятся сухие корма, сено и дрова — строение 1. Другим строением является жилой дом — строение 2. Дома деревянные V степени огнестойкости. Размеры домов и их взаимное расположение представлены на рис. 3. Застройка — Курская область.
Требуется определить место расположения и высоту одиночного стержневого молниеотвода, обеспечивающих защиту этих строений.
Решение. Строение 1 относится к III категории. Тип зоны защиты зависит от показателя N.
По карте рис. 1 определяем среднегодовую продолжительность гроз в Курской области, которая составляет от 80 до 100 час. По табл. 1 определяем среднее число ударов молнии в год на 1 км2 поверхности земли, которое равно 12.
Расчетные данные по строению 1 следующие:
Следовательно, принимается защитная зона типа «Б».
Для строения 2 такого расчета производить не требуется, так как в строении отсутствуют пожароопасные помещения.
Для строения 2, как для жилого дома, принимается защитная зона типа «Б». Выбираем место для возведения молниеотвода. Оно должно удовлетворять следующим требованиям: при минимальной высоте молниеотвода в зоне его защиты должно находиться максимальное число приусадебных построек, место расположения молниеотвода должно быть труднодоступным (например, защищено посадкой кустарников и находиться от строения не ближе 5 метров) В том случае если молниеотвод или какая-либо деталь молниеотвода (например, оттяжка) будет находиться ближе 5 метров от зданий III, IV и V степени огнестойкости, необходимо напротив нее на здании проложить токоотвод и присоединить его под землей к заземлителю.
Рис, 3. Определение типа защитной зоны и параметров для графического расчета стержневого молниеотвода
Для выбора места возведения молниеотвода целесообразно вычертить в масштабе план участка (подобно рис. 3), на котором будут указаны размеры зданий, в том числе и их высота, с учетом выступающих над крышей дымовых труб и антенн.
Место возведения молниеотвода определяется методом проб. Для этого необходимо проработать не менее трех вариантов и выбрать из них лучший — имеющий минимальную высоту при максимальной защите приусадебных построек.
Для иллюстрации расчетов, связанных с выбором места возведения молниеотвода и определением его высоты, продолжим решение примера 2.
На рис. 3 показано расположение молниеотвода по отношению к строениям 1 и 2.
Наиболее высокой и наиболее удаленной от молниеотвода точкой строения 1 является точка А, принадлежащая антенне. Ее высота составляет Н = 7,0 м, при удалении от молниеотвода на L = 16,0 м. Наиболее высокой и наиболее удаленной от молниеотвода точкой строения 2, также принадлежащей антенне, является точка Б. Ее высота составляет Н = 10,6 м при удалении от молниеотвода на расстояние L — 12 м. Как было сказано выше, единичный молниествол образует зону защиты в виде конуса, за пределы которого части строения не должны выступать. По мере увеличения высоты молниеотвода размеры конуса увеличиваются и задача определения высоты молниеотвода — это подобрать такие размеры защитного конуса, при которых даже самые высокие и удаленные точки строения не выходили бы за его пределы.
Рис. 4. Графическое определение высоты единичного стержневого молниеотвода
Учитывая, что размеры молниеотвода будут получены путем графических построений, точность которых зависит от масштаба и качества чертежа, наиболее целесообразно его выполнять на миллиметровой бумаге (миллиметровке) в масштабе не менее 1 метр натуры в 1 сантиметре чертежа.
Чертеж необходимо начать с построения графика параметров молниеотводов в соответствии с табл. 2, для чего по горизонтальной оси в выбранном масштабе отложить значения Ro, а по вертикальной — Но. Отложенные точки попарно соединить прямыми линиями, как это показано на рис. 4. В том же масштабе отложить координаты точек А и Б. Определить размеры Ro и Н0 конуса, за пределы которого точки А и Б не выходят. По величине Но (по табл.2) определить Н. Точки А и Б находятся внутри конуса, Н0 которого равно 18,4 м, что соответствует полной высоте молниеотвода по табл. 2 (Н=20 м).
В строениях с металлической крышей она же является и молниеприемником, поэтому соединена с заземлителем. Этот вид молниезащиты, как правило, рассчитан на защиту конкретного строения. Заземляющее устройство не зависит от формы и размеров молниеприемника, и при расчете первого в
случае использования металлической крыши в качестве молниеприемника можно воспользоваться сведениями, приведенные выше (одиночный стержневой молниеотвод).
Прежде чем приступить к расчету заземляющего устройства с достаточно малым сопротивлением, необходимо ознакомиться со свойствами земли и условиями, при которых между электродами заземления и землей может образоваться электрическое соединение с малым переходным сопротивлением. Электрофизические свойства земли, в которых находится заземлитель, определяются ее удельным сопротивлением р. За удельное сопротивление земли принимается сопротивление земли между противоположными плоскостями куба с ребрами в 1 м.
Как было сказано, наша страна располагается в семи климатических поясах, температура и влажность в которых разнятся в широких пределах. Для проектирования жилых зданий территория России по физико-географическим признакам разделяется на четыре района. На рис. 5 представлена карта России (со странами СНГ), на которой обозначены границы этих районов. Однако свойства земли (грунта) со сменой времен года будут меняться даже в пределах одного района. При расчетах этот факт учитывается в сезонном коэффициенте Кс.
Удельное сопротивление грунта измеряется при средней влажности и положительной температуре в Ом • метрах или Ом ■ сантиметрах (1 Ом - метр = 100 Ом ■ сантиметрам). Сезонный коэффициент Кс всегда больше единицы и призван компенсировать сезонное увеличение удельного сопротивления грунта.
Удельные сопротивления грунтов р и значения сезонных коэффициентов Кс приведены в таблицах 3 и 4.
Приведенные в таблице 3 данные относятся к грунтам, влажность которых — 10— 20% к их весу. Но грунт не однороден. Верхняя часть грунта на глубину около метра более подвержена намоканию, высыханию и промораживанию, что значительно изменяет удельное сопротивление верхней части грунта. Слои грунта, лежащие ниже уровня промерзания, имеют более стабильные показатели по влажности и температуре. За-землители могут быть выполнены в виде вертикальных электродов или электродов в виде горизонтальных полос. Для того чтобы расположить электроды в более влажных и непромерзающих слоях грунта, их заглубляют так, чтобы верхняя часть вертикальных электродов находилась на глубине 0,7— 1,0 м, а горизонтальные — полностью находились на этой глубине.
Рмс. 5. Карта схематического районирования территории России и стран СНГ по физико-географическим признакам
Верхний пахотный слой земли на приусадебном участке — это одна из самых больших ценностей крестьянского двора. Слой чернозема наращивается трудом нескольких поколений и именно слой чернозема имеет решающее значение в получении урожая. Раскрытие и прокладка коммуникаций в крестьянском дворе, как правило, производится под дорогами, так как рытье канав связано с перемешиванием грунта, а следовательно, и потерей плодородного слоя. Заземлители молниеотводов, во избежание шагового поражения людей, должны располагаться в стороне от пешеходных дорожек, а следовательно на земле, которая может быть использована для выращивания различных культур, в силу чего разрытие должно быть минимальным. Этим требованиям удовлетворяет заземляющее устройство с вертикальными заземлителями.
Основной электрической характеристикой заземлителя является сопротивление растеканию тока. Предположим, что в земле находится электрод и через него происходит замыкание на землю (рис. 6). Вокруг электрода образуется электрическое поле и зона повышенных потенциалов, которые по мере удаления от электрода уменьшаются и на расстоянии 20 м становятся близкими к 0. Это явление называется растеканием тока. В зоне растекания тока находиться опасно. Как показано на рис. 6, передние ноги лошади находятся ближе к заземлителю в зоне потенциала V2, а задние ноги — под потенциалом Vi. Лошадь в данном случае является сопротивлением, к которому приложена разность потенциалов V2—Vi. В результате по лошади (через передние ноги, тело лошади и задние ноги) будет протекать ток, сила которого равна J = V2—Vi / R лошади, что может вызвать поражение электрическим током, называемое напряжением шага.
Рис. 6. Растекание тока от единичного электрода заземлителя
Зная величину удельного сопротивления грунта и длину электродов, можно, пользуясь приближенной формулой из таблицы 5, определить сопротивление растеканию одиночного электрода.
Искусственные заземлители, как правило, состоят из нескольких электродов, соединенных между собой проводниками. В том случае, если исключить их взаимное влияние друг на друга, расстояние между ними в заземлении должно быть не менее 25 м. Чем ближе находятся электроды один от другого, тем в большей степени сказывается их взаимное влияние. Для учета взаимного влияния электродов устанавливается коэффициент использования заземлителей г].
В таблице 6 приведены коэффициенты использования вертикальных электродов, размещенных в ряд.
* а — расстояние между электродами в м; 1 — длина электрода в м.
Сопротивление заземлителей при растекании тока молнии называется импульсным, и его определяют по формуле
где:
R — сопротивление заземлителей при низкой частоте и малых плотностях токов на поверхности — при токах промышленной частоты;
аи — импульсный коэффициент; RH — сопротивление заземлителей при растекании тока молнии — импульсное сопротивление.
Импульсное сопротивление непосредственному измерению не поддается, поэтому его оценивают косвенно по сопротивлению при промышленной частоте RH и импульсному коэффициенту аи. Но импульсный коэффициент аи зависит от удельного сопротивления земли. Он тем меньше, чем больше удельное сопротивление грунта. Значение импульсного коэффициента аи в зависимости от удельного сопротивления грунта при вертикальных электродах представлено в таблице 7.
Связь между сопротивлениями при импульсе и промышленной (низкой) частоте представлена в таблице 8.
Пример 3. Необходимо определить величину сопротивления заземлителей на промышленной частоте для присоединения к нему импульсного заземлителя с сопротивлением 40 Ом * ргр. = 500 Ом * м.
Решение. Импульсному заземлителю величиной 40 Ом соответствует заземлитель, рассчитанный по переменному току, сопротивление которого равно 60 Ом. В качестве технических способов электрозащиты в сельском доме применяются зануление и молниезащита. В ряде случаев требуется повторное заземление нулевого провода. Его необходимо выполнять на концах воздушных линий или ответвлениях длиной более 200 м, а также на вводах в здания, установки которых подлежат заземлению. Сопротивление каждого из повторных заземлителей на линиях 380/220 В — 30 Ом.
От прямых ударов молнии здания и сооружения II категории защищают заземли-телями с импульсным сопротивлением не более 10 Ом, а в грунтах с удельным сопротивлением 500 Ом * м и выше — с сопротивлением не более 40 Ом.
От прямых ударов молнии здания и сооружения III категории защищают заземли-телями с импульсным сопротивлением не более 20 Ом, а в грунтах с удельным сопротивлением 500 Ом * м и выше допускается не более 40 Ом. Для защиты ферм крупного рогатого скота и конюшен сопротивление не должно превышать 10 Ом.
Заноса высокого потенциала в здания и сооружения II категории можно избежать при применении кабельного ввода или кабельной вставки длиной не менее 50 м, а внешние наземные металлические коммуникации на вводе необходимо присоединить к грозозащитному или повторному заземлению.
Защиту зданий III категории от заноса высоких потенциалов по линиям электросети можно осуществить с помощью мер, предусмотренных для зданий II категории или благодаря присоединению к защитному заземлению внешних металлических коммуникаций на вводе, включая штыри и крюки изоляторов (рис. 7).
Пример 4. Определить количество электродов заземлителя, изготовленных из стали диаметром 12 мм, длиной 5 м. В за-землителе электроды расположены в ряд с расстоянием 5 м и соединены между собой стальным прутком диаметром 12 мм.
Приусадебный участок расположен под Москвой. Грунт участка — песок с удельным сопротивлением 750 Ом-м (р^. = 750 Ом-м.). Решение. На участке расположены строения, относящиеся по классификации зданий и сооружений по устройству молниеза-щиты к зданиям III категории. Импульсное сопротивление заземлителя не должно превышать 20 Ом, а в грунтах с удельным сопротивлением 500 Ом ■ м и выше — не более 40 Ом.
По таблице 8 методом интерполяции устанавливаем, что импульсному сопротивлению в 40 Ом при удельном сопротивлении грунта ргр. ~ 750 Ом • м соответствует сопротивление заземления, равное 70 Ом (R = 70 Ом). Определим значение удельного сопротивления грунта с учетом сезонного коэффициента Кс (см. табл. 4). По карте схематического районирования страны (рис. 5) определяем, что земли Подмосковья относятся ко второму климатическому району, сезонный коэффициент которого для электродов длиной 6 м равен 1,25.
Пользуясь приближенной формулой, приведенной в табл. 5, определяем сопротивление одиночного электрода:
где 1 — длина электрода.
Рис. 7. Заземление крюков изоляторов
При расположении электродов в один ряд с расстоянием между ними 5 м, отношение расстояния между электродами к длине электрода равно L (а/1 =1). Предварительно определяем число электродов в заземлителе, равное 3, и по табл. 6 определяем коэффициент использования ч, который принимаем равным 0,8. Это означает, что действительное сопротивление одного электрода в заземлителе из трех стержней вследствие их взаимного влияния будет равно:
Устанавливаем, что заземляющее устройство состоит из трех электродов, связанных между собой металлическим прутком, диаметр которого 12 мм и длина 10 м, заглубленных в грунт на 0,7—1,0 м. С этого прутка также будет происходить растекание тока, что дает нам право уменьшить количество электродов с 3,34 до 3,0 штук.
Вернуться назад