Программа Beroes ZU 3.1

Конструктор стандартных заземляющих устройств

Пример 2

Контурное заземляющее устройство

(многоугольный контур, одинаковая длина вертикальных электродов, трехслойная земля)

Рассмотрим пример построения и расчета сопротивления растеканию контурного заземляющего устройства, конструкция которого включает многоугольный контур и вертикальные электроды одинаковой длины. Заземляющее устройство располагается в трехслойной земле.

Далее в примере, для краткости, рядное заземляющее устройство будем называть ЗУ, а диалоговое окно «Конструктор стандартных заземляющих устройств» - диалог «Конструктор…» или просто - конструктор.

Исходные данные

Схема защищаемого объекта (размеры указаны в метрах):

Параметры горизонтального проводника:

- конструкция проводника: сталь полосовая 0,04x0,004 м;

- глубина заложения проводника: Т_{O_Г} = 0,7 м;

- длина горизонтального проводника контура: L_Г = 90 м; горизонтальный проводник контура прокладывается вдоль периметра объекта на расстоянии 1 м от его стен; при этом его длина составит 90 м (см. схему объекта).

Параметры вертикальных электродов:

- конструкция электрода: сталь круглая диаметром D_В = 0,02 м;

- глубина заложения электрода: Т_{O_В} = 0,6 м;

- желательное количество электродов: N_В = 10 шт.*;

- желательное расстояние между электродами: s = 9 м*;

- порядок размещения электродов: контур.

* Желательные количество вертикальных электродов (N_В = 10 шт.) и расстояние между ними (s = 9 м) заданы для обеспечения нужной длины горизонтального проводника контура (L_Г = 90 м, см. выше).

Параметры многослойного грунта.

1-й слой:

- тип грунта: супесок;

- удельное сопротивление слоя: r₁ = 250 Ом м;

- поправочный коэффициент для вертикального электрода: К_{П1_В} = 1,3;

- поправочный коэффициент для горизонтального проводника: К_{П1_Г} = 2,5;

- толщина слоя: Н₁ = 2,5 м.

2-й слой:

- тип грунта: суглинок;

- удельное сопротивление слоя: r₂ = 100 Ом м;

- поправочный коэффициент для вертикального электрода: К_{П2_В} = 1;

- поправочный коэффициент для горизонтального проводника: К_{П2_Г} = 1;

- толщина слоя: Н₂ = 3,5 м.

3-й слой:

- тип грунта: глина;

- удельное сопротивление слоя: r₃ = 30 Ом м;

- поправочный коэффициент для вертикального электрода: К_{П3_В} = 1;

- поправочный коэффициент для горизонтального проводника: К_{П3_Г} = 1;

- толщина слоя: Н₃ = 4 м.

Дополнительные параметры.

Ориентировочный размер ЗУ – 20х25 м (параметр используется для выбора размеров плана, на котором будет располагаться схема ЗУ).

Координаты элементов схемы ЗУ и длины сторон контура будут иметь целочисленные значения (важно для выбора шага привязки – см. ниже).

Требуемое (предельно допустимое) сопротивление растеканию ЗУ – 4 Ом.

1. Создание проекта и определение его исходных параметров

Для создания нового проекта воспользуемся либо меню диалога «Конструктор…» (меню "Проект", пункт "Создать..."), либо кнопкой панели инструментов (1-я слева, всплывающая подсказка "Создать новый проект"). В появившемся диалоге «Параметры проекта» вводим данные проекта.

Обратите внимание на ввод значений следующих параметров:

- длину и ширину плана задаем соответственно 30 и 35 м (с учетом ориентировочного размера ЗУ - 20х25 м);

- шаг привязки выбираем равным 1 м (координаты элементов схемы и длины сторон контура будут иметь целочисленные значения);

- для порядка размещения вертикальных электродов выбираем значение «контур» (в примере рассматривается контурное ЗУ).

2. Ввод параметров слоев многослойного грунта

Для ввода параметров многослойного грунта используется вкладка "Грунты" многостраничной панели «Грунты / Заземлители / Модель / Краткое описание» диалога "Конструктор...". Данные слоев грунта непосредственно вносятся в таблицу «Параметры слоев». Для добавления в таблицу параметров слоя используется соответствующая кнопка управления слоями грунта (см. ниже - 1-я кнопка слева, всплывающая подсказка «Добавить слой грунта»).

При щелчке на указанной кнопке вызывается диалог «Параметры слоя многослойного грунта (для двух заземлителей)».

В диалоге нужно выбрать тип грунта, его удельное сопротивление и толщину, а также поправочные (сезонные) коэффициенты для вертикальных электродов и горизонтального проводника. После завершения работы с диалогом данные слоя будут добавлены в таблицу «Параметры слоев» конструктора. Для вставки в таблицу трех слоев грунта диалог «Параметры слоя…» нужно будет вызвать три раза. Параметры слоев грунта, подлежащие вводу в таблицу, указаны в исходных данных примера.

После заполнения таблица параметров слоев должна принять вид, указанный на скриншоте.

3. Ввод глубины заложения вертикальных электродов и горизонтального проводника, выбор их конструкций

Для ввода указанных параметров применяются элементы вкладки "Заземлители" многостраничной панели «Грунты / Заземлители / Модель / Краткое описание» диалога "Конструктор...".

Параметры вертикальных электродов задаются во встроенной вкладке «Исходные данные» панели «Вертикальные электроды». Глубина заложения электрода вводится в поле «То_в - расстояние от поверхности земли до верхнего края электродов, м» (в примере – 0,6 м), а его конструкция определяется значениями раскрывающихся списков «Конструкция» и «Размеры» (в примере - соответственно «сталь круглая» и «0,02») панели «Конструкция вертикального электрода» (см. скриншот ниже).

Параметры горизонтального проводника задаются во встроенной вкладке «Исходные данные» панели «Горизонтальный проводник». Глубина заложения проводника заносится в поле «То_г – глубина заложения горизонтального проводника, м» (в примере – 0,7 м), а его конструкция определяется значениями раскрывающихся списков «Конструкция» и «Размеры» (в примере – соответственно «сталь полосовая» и «0,04х0,004») панели «Конструкция горизонтального проводника».

4. Выполнение вспомогательного расчета

Он используется для ориентировочного расчета конструкции ЗУ, а именно - для определения приблизительных значений количества и длины вертикальных электродов, расстояния между электродами и длины горизонтального проводника. Вспомогательный расчет выполняется в расчетном диалоге «Стандартное заземляющее устройство в многослойной земле (2-слойная модель)» (далее – расчетный диалог), который вызывается из конструктора (меню "Справочники", пункт "Вспомогательный расчет..."). Отметим, что информация о параметрах слоев многослойного грунта, конструкции и глубине заложения заземлителей, порядке размещения электродов будет передана из диалога «Конструктор…» в расчетный диалог автоматически. При этом в качестве глубины заложения (в расчетном диалоге параметр является общим для вертикальных электродов и горизонтального проводника) будет передаваться глубина заложения вертикальных электродов (в примере – 0,6 м).

В расчетном диалоге воспользуемся функцией автоматического подбора параметра. Зададимся требуемым сопротивлением ЗУ 3,5 Ом (значение принято с запасом, фактически требуемое значение в исходных данных примера - 4 Ом), количеством вертикальных электродов 10 шт. и расстоянием между электродами 9 м (желательные значения количества электродов и расстояния между ними, указанные в исходных данных). Теперь выполним автоматический подбор длины вертикальных электродов ЗУ. Щелкнем правой кнопкой мыши на поле «Lв – длина вертикального электрода, м» и выберем пункт всплывающего меню «Подбор параметра». В результате подбора длина электрода получится равной 5 м при сопротивлении ЗУ 3,22 Ом и длине горизонтального проводника контура 90 м (см. скриншот ниже). Таким образом, были получены следующие ориентировочные параметры ЗУ:

- количество электродов - 10 шт.;

- расстояния между электродами – 9 м;

- длина горизонтального проводника - 90 м;

- длина вертикального электрода - 5 м.

Закрываем расчетный диалог и возвращаемся в диалог «Конструктор…».

Замечание.

Выполнение вспомогательного расчета не является обязательным, как не является обязательным и строгое следование полученным при вспомогательном расчете результатам.

5. Построение защищаемого объекта

Поскольку горизонтальный проводник контура должен быть проложен вдоль периметра защищаемого объекта, то начнем формирование схемы с вставки объекта, вокруг которого затем построим контур. Объект имеет сложную форму, поэтому в данной версии программы он будет сформирован как совокупность трех простых прямоугольных объектов.

Для вставки простого объекта в программе используется специальный диалог «Параметры объекта», вызываемый из конструктора (меню «Объект», пункт «Добавить…» или кнопка панели инструментов с подсказкой «Добавить объект», 13-я слева). Выполним настройку элементов управления диалога «Параметры объекта»:

- в поле «Наименование объекта» введем значение «Объект»;

- в поля «Х, м» и «Y, м» панели «Координаты левого верхнего угла объекта» введем одинаковые значения - 6;

- в поле «Длина объекта, м» введем значение 8;

- в поле «Ширина объекта, м» введем значение 5;

- цвет объекта оставим по умолчанию – серый;

- форму объекта оставим по умолчанию – прямоугольная;

- нажмем кнопку «Просмотр».

Диалог «Параметры объекта» примет следующий вид (см. скриншот ниже).

Завершаем работу с диалогом нажав кнопку «ОК». Объект будет вставлен в схему. Аналогично добавляем еще два простых объекта с тем же наименованием «Объект», того же цвета и формы, но с координатами левого верхнего угла - соответственно (6; 11) и (6; 19), длиной - соответственно 18 и 13 м, шириной – 8 и 10 м. Таким образом, для вставки трех объектов понадобится три вызова диалога «Параметры объекта». Отметим, что для вставки трех одинаковых объектов (отличающихся только координатами левого верхнего угла) можно было бы ограничиться одним вызовом диалога (групповая вставка объектов).

6. Построение многоугольного контура ЗУ

После вставки объекта попробуем реализовать параметры модели ЗУ, полученной в ходе вспомогательного расчета.

Начнем с построения многоугольного контура, который прокладывается вдоль периметра объекта на расстоянии 1 м от его стен. Для этого используется специальный диалог «Параметры контура ЗУ», вызываемого из конструктора (меню «Контур», пункт «Добавить…» или кнопка панели инструментов с подсказкой «Добавить контур», 8-я слева).

Выполним настройку элементов управления диалога «Параметры контура ЗУ» с учетом того, что контур прокладывается вдоль периметра объекта:

- в группе радиокнопок «Тип контура» выберем кнопку «сложный многоугольный» (контур прокладывается вдоль периметра 8-угольного объекта, соответственно, и сам контур должен быть 8-угольным);

- в группе радиокнопок «Режим ввода вершин контура» (панель «Параметры многоугольного контура») выберем кнопку «разметка»; данный режим ввода вершин контура наиболее удобен, когда стороны контура имеют целочисленные длины и вершины контура располагаются в точках плана, имеющих целочисленные координаты (как в нашем примере).

Теперь приступаем к созданию контура ЗУ. При построении контура в режиме разметки каждый щелчок левой кнопки мыши на плане схемы будет отмечать положение очередной вершины контура и, соответственно, конец предыдущей стороны контура и начала последующей. Так первый щелчок левой кнопки мыши на плане отметит положение 1-й вершины контура и начало его 1-й стороны, второй щелчок той же кнопки мыши отметит положение 2-й вершины контура, конец его 1-й стороны и начало 2-й, третий щелчок – положение 3-й вершины контура, конец его 2-й стороны и начало 3-й и т.д. Таким образом, для создания 8-угольного контура нужно 8 раз щелкнуть левой кнопкой мыши на плане в точках расположения вершин контура. Отметим, что при выполнении разметки контура важно сразу выбрать направление нанесения вершин контура (по часовой или против часовой стрелки) и соблюдать его при нанесении всех вершин. Нанесенные в ходе разметки вершины контура будут представлены на плане белыми окружностями, которые, при необходимости, можно перемещать, тем самым указывая другое положение ранее нанесенной вершины. Кроме того, с этими окружностями связано всплывающее меню, позволяющее добавлять, вставлять и удалять вершины. В ходе разметки стороны создаваемого контура будут отображаться бирюзовым цветом.

Выбираем направление нанесения вершин контура - по часовой стрелке. В качестве начала контура принимаем точку плана с координатами (5; 5) – на 1 м левее и выше левого верхнего угла защищаемого объекта. Щелкнем в этой точке левой кнопкой мыши. Переместим курсор мыши в точку с координатами (15; 5) – на 1 м правее и выше угла объекта с координатами (14; 6) - и выполним щелчок мыши. На схеме появится 1-я сторона контура длиной 10 м продольной ориентации (горизонтальная по отношению к экрану монитора). Переместим курсор мыши в точку с координатами (15; 10) – на 1 м правее и выше угла объекта с координатами (14; 11) - и снова выполним щелчок мыши. На схеме появится 2-я строна контура длиной 5 м поперечной ориентации (вертикальная по отношению к экрану монитора). Переместим курсор мыши в точку с координатами (25; 10) – на 1 м правее и выше угла объекта с координатами (24; 11) - и выполним щелчок мыши. На схеме появится 3-я сторона контура длиной 10 м продольной ориентации. Так и продолжаем обходить углы объекта по часовой стрелке, нанося вершины контура. Последний щелчок мыши должен быть выполнен в точке плана с координатами (5; 30) – на 1 м левее и ниже последнего угла объекта. В ходе разметки пользователь может контролировать координаты нанесенных вершин контура по таблице «Координаты вершин контура» (вкладка «Координаты вершин» панели «Координаты вершин / Длины сторон»).

По окончании расстановки вершин контура диалог «Параметры контура ЗУ» должен принять вид:

Замечания.

Отметим, что внутренние углы сложного контура могут иметь только два значения – 90 и 270 градусов. Соответственно, и стороны контура по отношению к экрану монитора могут быть только строго вертикальными или горизонтальными. В противном случае при попытке завершения работы с диалогом «Параметры контура ЗУ» последний не закроется и появится сообщение об ошибке, предписывающее выполнить правильную расстановку вершин контура.

Если при нанесении вершины произошла ошибка и она оказалась не в той точке плана, то вершину можно переместить – щелкнуть на соответствующей ей окружности левой кнопкой мыши и, не отпуская кнопки, переместить окружность в нужное место, затем отпустить кнопку.

В режиме разметки можно также вставлять вершины контура и удалять их. Для вставки новой вершины нужно щелкнуть правой кнопкой мыши на окружности вершины, ранее нанесенной на план и ближайшей по отношению к вставляемой вершине, и в появившемся всплывающем меню выбрать пункт «Вставить вершину до текущей вершины» или пункт «Вставить вершину после текущей вершины». На плане появится окружность, соответствующая добавленной вершине. После этого обычно необходимо переместить вставленную вершину в нужную точку плана. Для удаления вершины нужно щелкнуть правой кнопкой мыши на окружности этой вершины и в появившемся всплывающем меню выбрать пункт «Удалить вершину». После этого с поверхности плана исчезнет окружность, соответствующая вершине, и сама вершина.

По окончании работы с диалогом «Параметры контура ЗУ» диалог «Конструктор…» примет вид:

7. Расстановка вертикальных электродов

Продолжим реализовывать параметры модели ЗУ, полученной в ходе вспомогательного расчета. Для этого нужно расставить по периметру многоугольного контура 10 вертикальных электродов длиной 5 м на расстоянии 9 м друг от друга. Воспользуемся соответствующей функцией, реализованной на базе диалога «Расстановка вертикальных электродов по периметру контура», вызываемого из конструктора (меню «Контур», пункт «Расстановка электродов…» или кнопка панели инструментов с подсказкой «Расстановка вертикальных электродов по периметру контура», 12-я кнопка слева).

Выполним настройку элементов управления диалога «Расстановка…»:

- в группе радиокнопок «Расстановка вертикальных электродов» выберем кнопку «по заданному количеству электродов»;

- в поле «Количество электродов, шт.» введем значение 10;

- в поле «Длина вертикальных электродов, м» введем значение 5;

- нажмем кнопку «Просмотр».

Диалог «Расстановка…» примет следующий вид (см. скриншот ниже).

Замечание.

Вертикальные электроды будут расставлены по периметру контура равномерно на расстоянии 9 м друг от друга. Отметим, что указанные расстояния (назовем их условно – расстояния расстановки) будут определяться не по прямой между электродами, а по ломаной линии, соответствующей участку периметра контура между электродами. Так, например, расстояние расстановки между вертикальными электродами с координатами (14; 5) и (18; 10) будет определяться как сумма длин трех отрезков:

- 1-й отрезок - координаты начала - (14; 5), координаты конца - (15; 5), длина отрезка - 1 м;

- 2-й отрезок - координаты начала - (15; 5), координаты конца - (15; 10), длина отрезка - 5 м;

- 3-й отрезок - координаты начала - (15; 10), координаты конца - (18; 10), длина отрезка - 3 м.

Суммарная длина отрезков – 9 м – соответствует расстоянию расстановки электродов по периметру контура.

В панели «Просмотр» вертикальные электроды расположатся так, как будут располагаться в диалоге «Конструктор…» после завершения работы с диалогом «Расстановка…». Нажимаем кнопку «ОК» и возвращаемся в диалог «Конструктор…».

8. Выполнение расчета сопротивления ЗУ

После расстановки вертикальных электродов диалог «Конструктор…» примет следующий вид.

Для выполнения расчета нужно нажать соответствующую кнопку панели инструментов (подсказка «Расчет модели проекта», 5-я кнопка слева) или выбрать пункт «Расчет модели» меню «Проект». В ходе расчета определяются параметры расчетной модели ЗУ, которые отображаются в полях вкладки «Модель» многостраничной панели «Грунты / Заземлители / Модель / Краткое описание» (см. скриншот ниже).

Сопротивление растеканию ЗУ получилось равным 3,37 Ом. Это близко сопротивлению модели ЗУ, полученной при вспомогательном расчете (3,22 Ом), поскольку конструкция созданного ЗУ достаточно близка модели вспомогательного расчета.

Отметим следующие особенности результатов расчета:

- суммарное расстояние между вертикальными электродами составило: Lsв = 77,83 м, а не 90 м (длина горизонтального проводника контура Lг = 90 м); это связано с тем, что большинство электродов расположены не в вершинах контура, а рядом с ними; поскольку при расчете модели программа определяет расстояние между соседними электродами не по периметру (очертаниям) контура, а по кратчайшему расстоянию между электродами, то и получается, что суммарное расстояние между вертикальными электродами оказалось меньше периметра контура на 12 с лишним метров;

- соответственно, среднее расстояние между вертикальными электродами получается равным: а = 7,78 м, где а = Lsв / (Nв-1) = 77,83 / (10-1) = 7,78; т.е. фактическое среднее расстояние между электродами меньше расстояния, полученного при вспомогательном расчете (9 м); причина та же, что и в предыдущем пункте.

Замечание.

Если бы электроды ЗУ были расположены во всех вершинах контура, то суммарное расстояние между вертикальными электродами равнялось бы длине горизонтального проводника контура (90 м), а фактическое среднее расстояние между электродами равнялось бы расстоянию, полученному при вспомогательном расчете (9 м). При необходимости, это может быть реализовано перемещением ближайших к вершинам контура вертикальных электродов при помощи мыши. Для этого на плане схемы нужно щелкнуть левой кнопкой мыши на соответствующем электроде и, не отпуская кнопки, переместить электрод в нужное место, а затем отпустить кнопку.

9. Просмотр расчетной модели ЗУ

Просмотреть фактическое расстояние между вертикальными электродами позволяет диалог «Просмотр расчетной модели ЗУ». Диалог вызывается из конструктора при помощи меню (меню «Проект», пункт «Просмотр расчетной модели…») или соответствующей кнопки панели инструментов (6-я кнопка слева, подсказка «Просмотр расчетной модели проекта»). На расчетной модели видно, что, например, фактическое расстояние между 2-м и 3-м вертикальными электродами равно 6,4 м (при нумерации электродов с левого верхнего угла схемы по часовой стрелке), между 3-м и 4-м электродами - 7,28 м и т.д. Только четыре расстояния между электродами равны 9 м, как это и было определено при вспомогательном расчете: между 1-м и 2-м, 7-м и 8-м, 9-м и 10-м, 1-м и 10-м электродами. Таким образом, расчетная модель поясняет, почему суммарное расстояние между вертикальными электродами (77,83 м) отличается от длины горизонтального проводника контура (90 м), а фактическое среднее расстояние между вертикальными электродами (7,78 м) – от расстояния, полученного при вспомогательном расчете (9 м). Несмотря на это сопротивление растеканию ЗУ получилось вполне приемлемым (3,37 Ом).

После выполнения расчета можно выполнить следующие операции:

- просмотреть промежуточные данные результатов расчета для вертикальных электродов (многостраничная панель «Грунты / Заземлители / Модель / Краткое описание», вкладка "Заземлители", панель «Вертикальные электроды», панель «Исходные данные / Расчетные данные», вкладка «Расчетные данные») и горизонтального проводника контура (многостраничная панель «Грунты / Заземлители / Модель / Краткое описание», вкладка "Заземлители", панель «Горизонтальный проводник», панель «Исходные данные / Расчетные данные», вкладка «Расчетные данные»);

- просмотреть двухслойные модели земли для вертикальных электродов (меню «Электрод», пункт «Двухслойная модель…») и горизонтального проводника контура (меню «Проводник», пункт «Двухслойная модель…»); внизу представлена 2-слойная модель земли для вертикального электрода;

- просмотреть спецификацию материалов ЗУ (меню «Проект», пункт «Спецификация материалов…»);

- экспортировать результаты расчета в документ Microsoft Word (меню «Проект», пункт «Экспорт отчета в Microsoft Word…» или кнопка панели инструментов с подсказкой «Экспорт отчета в Microsoft Word», 7-я слева).

2-слойная модель земли для вертикального электрода