Лабораторна робота № 6
ДОСЛІДЖЕННЯ СТАНУ ЗАЗЕМЛЕННЯ МЕТОДОМ АМПЕРМЕТРА-ВОЛЬТМЕТРА

6.1 Мета: навчитися розраховувати і контролювати стан захисного заземлення.

6.2 Короткі теоретичні відомості

Для створення безпечних умов під час роботи з електроустановками повинні бути збудовані пристрої для заземлення та заземлені металеві частини електрообладнання, які можуть опинитися під напругою внаслідок пошкодження ізоляції. Можливий струм замикання на землю і, відповідно, небезпечність ураження, залежить від напруги джерела струму та його потужності. Допустимі опори заземлювальних пристроїв наведені в таблиці 6.1.

Захисне заземлення – це навмисне електричне з'єднання з землею або її еквівалентом металевих неструмовідних (в нормальному режимі роботи) частин, які можуть опинитись під напругою внаслідок пошкодження ізоляції електроустановки. 

Конструктивно заземлення виконується у вигляді декількох вертикальних стержньових заземлювачів, які занурені в землю на певну глибину і з'єднані горизонтальною з'єднувальною смугою. Заземлювальні провідники з’єднують частини електричної установки, які можуть опинитися під напругою в аварійному стані, зі з'єднувальною смугою.

Опір заземлення в значній мірі залежить від питомого опору ґрунту ρ, Омм. Питомий опір ґрунту залежить від характеру ґрунту, а також від пори року. Найбільшу величину він має в холодний період у північних районах при промерзанні ґрунту або в теплий період в південних районах, коли ґрунт найбільш сухий.

Таблиця 6.1 – Допустимі опори заземлювального пристрою

Опір заземлення необхідно періодично контролювати, так як з причини корозії заземлювачів або через їх механічне пошкодження він може перевищити допустиму величину. Контроль заземлювальних пристроїв проводять перед введенням в експлуатацію і періодично кожного року (при найбільшому підсиханні і найбільшому промерзанні ґрунту).

Вимірювання опору заземлювачів може бути проведене різними способами. Найбільш поширеним є метод амперметра-вольтметра (рисунок 6.1).

RX – опір заземлення, Rзонда – опір зонда, RВ– опір допоміжного електроду

Рисунок 6.1 – Принципова схема метода амперметра-вольтметра

де        RX – опір заземлення, Ом; U – напруга, яку показує вольтметр, В; І – сила струму за амперметром, А.

Допоміжний заземлювач (В) і зонд (3) встановлюються на такій відстані один від одного і від досліджуваних заземлювачів (RХ), щоб їхні поля розтікання не накладалися. Падіння напруги на RХ вимірюється вольтметром (V), який увімкнутий між RХ і зондом, сила струму в ланцюзі – амперметром (А). Схема розміщення електродів для випадку одиночного заземлювача або зосередженого пристрою заземлення наведена на рисунку 6.2.

Рисунок 6.2 – Мінімальні відстані між досліджуваним заземленням RX, зондом та допоміжним електродом

6.3. Експериментальна частина

6.3.1 Розрахунок системи захисного заземлення

Мета розрахунку захисного заземлення – визначення кількості електродів заземлювача і заземлювальних провідників, їхніх розмірів і схеми розміщення в землі.

Розрахунок проводять за допомогою методу коефіцієнта використання (екранування) електродів. Коефіцієнт використання групового заземлювача η – це відношення діючої провідності цього заземлювача до найбільш можливої його провідності за нескінченно великих відстаней між його електродами.

Коефіцієнт використання вертикальних заземлювачів ηв в залежності від розміщення заземлювачів та їх кількості знаходиться в межах 0,4…0,99. Взаємну екрануючу дію горизонтального заземлювача (з’єднувальної смуги) враховують за допомогою коефіцієнта використання горизонтального заземлювача ηг.

Вихідними даними для розрахунку системи захисного заземлення є: напруга установки, що заземлюється; режим нейтралі мережі; питомий опір ґрунту; план розміщення обладнання, що заземлюється (згідно з варіантом, таблиця 6.2).

Таблиця 6.2 – Варіанти розрахункового завдання

Порядок розрахунку:

1. Визначається розрахунковий питомий опір ґрунту, Омм, відповідно до заданого варіанту завдання

де ψ – коефіцієнт сезонності (таблиця 6.3); ρ – табличне значення питомого опору ґрунту, Омм (таблиця 6.4).

Таблиця 6.3 – Ознаки кліматичних зон і коефіцієнти сезонності

Таблиця 6.4 – Значення питомого електричного опору різних ґрунтів

2. Розраховується опір розтікання поодинокого трубчастого заземлювача за формулою

де l – довжина заземлювача, l = 3 м; d – діаметр труби або стержня, d = 0,05 м;  t – відстань від поверхні землі до середини заземлювача (глибину закладання заземлювачів hB прийняти рівній 0,8 м);

3. Визначається nm.в. – теоретична кількість вертикальних заземлювачів без урахування коефіцієнта використання ηВ, шт.

де RД – найбільший допустимий опір заземлювального пристрою, Ом, (таблиця 6.1).

4. Визначається ηВ – коефіцієнт використання вертикальних заземлювачів при розташуванні їх в ряд (таблиця 6.5).

Таблиця 6.5 – Коефіцієнт використання вертикальних заземлювачів ηВ при розташуванні їх в ряд

5. Розраховується необхідна кількість паралельно з'єднаних одиночних заземлювачів, яка необхідна для отримання допустимих значень опору заземлення за наближеною формулою без врахування опору з'єднуючої смуги

6. Розраховується довжину горизонтальної з'єднуючої смуги, 

                                                                                            (6.7)

де n – необхідна кількість вертикальних заземлювачів;  a – відстань між вертикальними заземлювачами, а = 3м.

7. Розраховується опір з’єднувальної смуги за формулою

де d – еквівалентний діаметр смуги шириною b, d =0,95b, b = 15 см.

8. Розраховується результуючий опір заземлювального електроду з урахуванням з’єднувальної смуги

де ηn - коефіцієнт використання (таблиця 6.6) з'єднувальної смуги. 

Таблиця 6.6 – Коефіцієнт використання з'єднувальної смуги ηn.

6.3.2 Контроль стану захисного заземлення методом амперметра-вольтметра

Опис лабораторної установки

Стенд (рисунок 6.3) дозволяє:

– моделювати вимірювання опору заземлювального пристрою методом амперметра-вольтметра: тумблер RХ моделює опір заземлювального пристрою, а його положення 1; 2; 3; 4 відповідають різним значенням опору RХ;

– досліджувати вплив взаємного розміщення електродів на результати вимірювань шляхом переміщення штекера з гнізда „RЗ” в гніздо „RЗ/” та „RЗ//”. 

Опір заземлювального пристрою методом амперметра-вольтметра вимірюють за наступного початкового стану лабораторного стенда:

– тумблер „Сеть” універсального лабораторного стенда в нижньому положенні;

– кнопка „Сеть” лабораторного стенда відтиснута;

– перемикач „RХ” в положенні 1.

Рисунок 6.3 – Стенд для вимірювання опору заземлення методом амперметра-вольтметра

Провести вимірювання за методом амперметра-вольтметра, для чого виконати наступні операції:

– тумблер „Сеть” універсального лабораторного блока перевести у верхнє положення;

– натиснути кнопку „Сеть” лабораторного стенду;

– перемикач „RХ” установити в необхідне положення 1;

– штекер вольтметра встановити в гніздо „RЗ”; 

– зафіксувати в таблиці 6.7 показання амперметра і вольтметра;

– штекер, що з'єднує вольтметр із гніздом „RЗ” переставити у гніздо „RЗ/`” та зафіксувати показання амперметра і вольтметра;

– перенести зазначений штекер у гніздо „RЗ//”, зафіксувати показання амперметра і вольтметра;

– перемикач „RХ” установити в необхідне положення 2; 3 а потім 4 і повторити вимірювання.

Привести лабораторний стенд в початкове положення.

За результатами вимірювання обрахувати значення R = U/I (таблиця 6.7)

Таблиця 6.7 – Результати експерименту

6.4 Висновки

Студент робить висновок:

– про відповідність нормам розрахованого результативного опору заземлювального електроду та експериментальних даних вимірювання опору заземлювального пристрою методом амперметра-вольтметра; 

– про можливість експлуатації електроустановки з даним опором заземлення.