Расчет сопротивления естественного заземлителя. Расчет заземляющих устройств

Прежде чем окончательно перейти к расчётной части заземления, ещё несколько выдержек из ПУЭ 1.7:

1.7.15. Заземлитель — проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду.

1.7.16. Искусственный заземлитель — заземлитель, специально выполняемый для целей заземления.

1.7.17. Естественный заземлитель — сторонняя проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду, используемая для целей заземления.

1.7.18. Заземляющий проводник — проводник, соединяющий заземляемую часть (точку) с заземлителем.

1.7.19. Заземляющее устройство — совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

1.7.20. Зона нулевого потенциала (относительная земля) — часть земли, находящаяся вне зоны влияния какого-либо заземлителя, электрический потенциал которой принимается равным нулю.

1.7.21. Зона растекания (локальная земля) — зона земли между заземлителем и зоной нулевого потенциала.

Термин земля, используемый в главе, следует понимать как земля в зоне растекания.

Расшифруем некоторые термины о чём сказано выше, если через заземлитель пропустить ток, то на самом заземлителе и в точках земли, расположенных в непосредственной близости от него, возникнут потенциалы (относительно бесконечно удаленной точки), распределение которых показано на рис. 1. Из рисунка видно, что с удалением от места расположения заземлителя потенциал уменьшается, так как поперечное сечение земли, через которое протекает ток, увеличивается. В удаленных точках потенциалы близки к нулю. Таким образом, в качестве точек нулевого потенциала могут служить точки, достаточно удаленные от заземлителя, потенциалы которых практически равны нулю. Обычно достаточно расстояние несколько десятков метров. Крутизна кривой распределения потенциалов зависит от проводимости грунта: чем больше проводимость грунта, тем более пологую форму имеет кривая, тем дальше расположены точки нулевого потенциала.

Сопротивление, которое оказывает току грунт, называется сопротивлением растеканию . В практике сопротивление растеканию относят не к грунту, а к заземлителю и применяют сокращенный условный термин «сопротивление заземлителя ». Сопротивление заземлителя (Rзм ) определяется отношением напряжения (Uзм ) на заземлителе относительно точки нулевого потенциала к току (Iзм ), протекающему через заземлитель, поэтому основной расчет защитного заземления сводится к определению сопротивления растекания тока заземлителя. Это сопротивление зависит от размеров и количества заземляющих проводников, расстояния между ними, глубины их заложения и проводимости грунта.

Выбор схемы для расчёта заземления:

В ряд или контур (одиночное заземление рассмотрим позже, см. ) производится для того чтобы определить сопротивление сооружаемого заземления при эксплуатации, его размеры, форму и расчётную часть. Ряд или контур заземления состоит из вертикальных заземлителей, горизонтальных заземлителей и заземляющего проводника. Вертикальные заземлители заглубляются в почву на определенную глубину.

Горизонтальные заземлители соединяют между собой вертикальные заземлители. Заземляющий проводник соединяет контур заземления непосредственно с электрощитом.

Размеры и количество этих заземлителей, расстояние между ними, удельное сопротивление грунта – все эти параметры напрямую зависят на сопротивление заземления для расчёта. Ниже на схеме рис. 2, показаны самые распространенные вертикальные искусственные заземлители (электродов) — треугольником, в ряд и по контуру заземления:

Рис. 2

Рис. 3

Формулы для расчета заземления:

Основной расчет защитного заземления сводится к определению сопротивления растекания тока заземлителя. Это сопротивление зависит от размеров и количества заземляющих проводников, расстояния между ними, глубины их заложения и проводимости грунта.

Целью расчета заземления является определить число заземляющих стержней и длину полосы, которая их соединяет.

Для перевода круглого металла (пруток, труба) в полосу: b = 2·d, где b — ширина полосы м м., d — диаметр прутка, трубы в м. и соответственно на оборот, полосу в диаметр: d = 0,5·b; для перевода уголка в диаметр: d = 0.95·b, где b — ширина полки уголка в м.

1. Расстояния между заземляющими стержнями берется из соотношения их длины (см. рис. 2), то есть:

a = 1хL; a = 2хL; a = 3хL

где, a — расстояния между заземляющими; L — длина стержня (электрода), 1 — 3 соотношение.

2. Сопротивление растекания тока одного вертикального заземлителя (стержня):

Где, ρ экв — эквивалентное удельное сопротивление грунта вычислим по формуле: ρ экв = Ψ·ρ, Ψ — повышающий коэффициент климатической зоны , ρ — удельное сопротивление грунта Ом·м; L – длина стержня, м; d – его диаметр, м; Т – расстояние от поверхности земли до середины стержня, м. (см. рис. 3, h 1 = 0,5l + t ), H — толщина верхнего слоя грунта при неоднородном грунте (двухслойном). Ниже на рис. 4 формулы и расположения электродов для расчёта с применением логарифмов:

Рис. 4 (прим. где h 1 = T)

3. В неоднородном грунте (двухслойный), эквивалентное удельное сопротивление грунта находится по формуле:

где – Ψ — сезонный климатический коэффициент (таблица 5); ρ 1 , ρ 2 – удельное сопротивления верхнего и нижнего слоя грунта соответственно, Ом·м (см. таблицу 5); Н – толщина верхнего слоя грунта, м; t — заглубление вертикального заземлителя (глубина траншеи) t = 0,5 — 0.8 м.

4. Количество необходимых заземлителей определяется по формулам:

4.1 методом приближения (как пользоваться данным методом расскажем в примерах позже):

где, k исп — отношение расстояния между заземляющими стержнями (см. пункт 1), R 1 = R 0 — (см. пункт 2), R нор — нормативные требования сопротивления (ПУЭ 1.7.101. или 1.7.103. см. страницу ).

4.2 с помощью таблиц (без учета сопротивления горизонтального заземления):

где, Ψ – коэффициент сезонности вертикального заземлителя (см. таблица 6, страница ); R н — нормируемое сопротивление растеканию тока заземляющего устройства, см. таблицу 8, ниже):

Таблица 8

В случаях, когда естественные заземлители не удовлетворяют требованиям ПУЭ, применяют искусственные заземлители, которые в зависимости от формы и расположения в грунте делят на три группы:
углубленные - из полосовой или круглой стали, укладываемые горизонтально на дно котлованов зданий по периметру фундаментов;
горизонтальные - из круглой или полосовой стали, уложенные в траншею;
вертикальные - из стальных вертикально ввинченных или вдавленных в грунт стержней из круглой стали.
Для заземлителей обычно применяют круглую сталь диаметром 10-16 мм, полосовую сталь сечением 40 х 4 мм, отрезки угловой стали 50 х 50 х 5 мм. Длина вертикальных ввинчиваемых и вдавливаемых заземлителей - 4,5-5 м; забиваемых - 2,5-3 м. В производственных помещениях с электроустановками напряжением до 1 кВ применяют магистрали заземления из стальной полосы сечением не менее 100 мм 2 , а напряжением выше 1 кВ - не менее 120 мм 2 .
Искусственные углубленные заземлители, заранее заготовленные в мастерских, укладывают на дно котлованов под фундаменты строящихся зданий и сооружений. Вертикальные заземлители из круглой стали диаметром 16 мм ввертывают в грунт или вдавливают. Для этих целей используют различные передвижные механизмы (копры, автоямобуры, вибраторы, гидропрессы, бурильно-крановые машины) и ручные приспособления. Рытье траншей производят землеройными машинами.

Верх вертикальных заземлителей заглубляют на 0,6-0,7 м от уровня планировочной отметки земли. Над дном траншеи заземлители должны выступать на 0,1-0,2 м для удобства приварки к ним соединительных горизонтальных круглых стержней (сталь круглого сечения более устойчива против корррзии, чем полосовая). Горизонтальные заземлители укладывают в траншеи глубиной 0,6-0,7 м от уровня планировочной отметки земли.
Все соединения в цепях заземлителей выполняют сваркой внахлестку. Качество сварных швов проверяют осмотром, а прочность - ударом молотка массой 1 кг. Места сварки во избежание коррозии покрывают битумным лаком.
У мест ввода заземляющих проводников в здания устанавливают опознавательные знаки заземлителя. Расположенные в земле заземлители и заземляющие проводники не окрашивают. Если в фунте содержатся примеси, вызывающие повышенную коррозию, применяют заземлители увеличенного сечения, круглую сталь диаметром 16 мм, оцинкованные или омедненные заземлители или осуществляют электрическую защиту от коррозии.
Горизонтальные заземлители в местах пересечения с подземными сооружениями (кабелями, трубопроводами), с железнодорожными путями и автомобильными дорогами, а также в местах возможных механических повреждений защищают асбестоцементными трубами. По окончании монтажа заземлителей перед засыпкой траншей составляют акт освидетельствования скрытых работ.

Монтаж заземляющих и нулевых защитных проводников.

Заземляющие проводники прокладывают горизонтально и вертикально или параллельно наклонным конструкциям зданий.
В сухих помещениях заземляющие проводники укладывают непосредственно по бетонным и кирпичным основаниям с креплением полос дюбель-гвоздями (рис. 3.3, а), а в сырых, особо сырых помещениях и помещениях с едкими парами - на подкладках (рис. 3.3, б) или опорах (держателях) на расстоянии не менее 10 мм от основания (рис. 3.3, в, г).
Проводники крепят на расстояниях 600-1000 мм на прямых участках, 100 мм на поворотах от вершин углов, 100 мм от мест ответвлений, 400-600 мм от уровня пола помещений и не менее 50 мм от нижней поверхности съемных перекрытий каналов. Соединение заземляющих проводников и присоединение их к металлическим конструкциям зданий выполняют сваркой внахлестку, за исключением разъемных мест, предназначенных для измерений. При соединениях проводников длину нахлестки для сварки принимают равной ширине полосы при прямоугольном сечении и шести диаметрам - при круглом сечении.
Заземляющие проводники к корпусам машин и аппаратов присоединяют под заземляющий болт на их корпусах. Если машины установлены на салазках, их заземляют присоединением салазок к заземляющему проводнику. Открыто проложенные заземляющие и нулевые защитные проводники имеют отличительную окраску - по зеленому фону прокрашивают желтую полосу вдоль проводника.

Виды крепления заземляющих проводников :
а - к стене; б - на подкладках; в, г - на держателях для полосовой и круглой стали; У - дюбель; 2 - полоса; 3 - подкладка; 4 - держатель; 5 - круглая сталь
Места, предназначенные для подсоединения инвентарных переносных заземлителей, не окрашивают.

Технология монтажа устройств молниезащиты зданий и сооружений.
Устройства молниезащиты (молниеотводы) состоят из молние- приемников, непосредственно воспринимающих на себя удар молнии, токоотводов и заземлителей. Для монтажа молниеприемников стержни из круглой, полосовой, угловой, трубчатой стали сечением не менее 100 мм 2 , длиной не менее 200 мм устанавливают вертикально, укрепляя их на опоре или непосредственно на самом защищаемом здании или сооружении;
тросовые - из стального многопроволочного оцинкованного троса не менее 35 мм 2 (диаметр около 7 мм), укрепляют на опорах над защищаемыми зданиями или сооружениями;
молниеприемную сетку - из стальной проволоки диаметром 6 мм укладывают непосредственно на неметаллическую кровлю здания или под несгораемый утеплитель. В зависимости от категории здания по устройству молниезащиты сетки применяют с ячейками размерами 6 х 6; 3 х 12; 12 х 12; 6 х 24 м.
Молниеприемником могут служить также металлические кровля и другие металлические части, возвышающиеся над зданием (сооружением). Конструкции токоотводов и заземлителей в устройствах
молниезащиты подобны конструкциям заземляющих проводников и заземлителей в устройствах защитного заземления электроустановок, поэтому требования к их устройству и прокладке, а также методы производства монтажных работ аналогичны описанным выше.

Для защиты подземных металлических сооружений от коррозии , вызываемой блуждающими токами, применяют поляризованный дренаж. Защита обеспечивает отвод блуждающих токов от подземных металлических сооружений через дренажное устройство в рельсовую сеть или отрицательную шину тяговой подстанции.
Поляризованный электрический дренаж УЭДЗ-2 используют, если потенциал подземного металлического сооружения по отношению к рельсовой сети или к земле положительный либо знакопеременный и когда разность потенциалов «подземное сооружение рельс» больше разности потенциалов «подземное сооружение - земля».
УЭДЗ-2 устанавливают на стене здания, на столбе, на металлических опорах или специальной стойке на высоте 1-1,5 м от земли. К дренажу должен быть обеспечен доступ в любое время года. Дренажные кабели подводят через отверстия на дне корпуса.

Кабель, идущий к защищаемому металлическому сооружению, подключают к клемме со знаком (-). Дренажный кабель прокладывают в земле на глубину 0,5-0,7 м, в соответствии с типовой документацией, серия 5.905-6 «Узлы и детали электрозащиты подземных инженерных сетей от коррозии».

Размещено 30.11.2011 (актуально до 30.11.2012)

Расчет заземляющих устройств сводится главным образом к расчету собственно заземлителя, так как заземляющие проводники в большинстве случаев принимаются по условиям механической прочности и стойкости к коррозии по ПТЭ и ПУЭ. Исключение составляют лишь установки с выносным заземляющим устройством. В этих случаях рассчитываются последовательно включаемые сопротивления соединительной линии и заземлителя, так, чтобы их суммарное сопротивление не превышало допустимого.

Следует особо выделить вопросы расчета заземляющих устройств для заполярных и северо-восточных районов нашей страны. Для них характерны многомерзлые грунты, имеющие удельное сопротивление поверхностных слоев на один - два порядка выше, чем в обычных условиях средней полосы СССР.

Расчет сопротивления заземлителей в других районах СССР производится в следующем порядке:

1. Устанавливается необходимое по ПУЭ допустимое сопротивление заземляющего устройства r зм. Если заземляющее устройство является общим для нескольких электроустановок, то расчетным сопротивлением заземляющего устройства является наименьшее из требуемых.

2. Определяется необходимое сопротивление искусственного заземлителя с учетом использования естественных заземлителей, включенных параллельно, из выражений

(8-14)

где r зм -допустимое сопротивление заземляющего устройства по п. 1, R и-сопротивление искусственного заземлителя; R е-сопротивление естественного заземлителя. Определяется расчетное удельное сопротивление грунта расч с учетом повышающих коэффициентов, учитывающих высыхание грунта летом и промерзание зимой.

При отсутствии точных данных о грунте можно воспользоваться табл. 8-1, где приведены средние данные по сопротивлениям грунтов, рекомендуемые для предварительных расчетов.

Таблица 8-1

Средние удельные сопротивления грунтов и вод, рекомендуемые для предварительных расчетов

Примечание. Удельные сопротивления грунтов определены при влажности 10-20% к массе грунта

Измерение удельного сопротивления для получения более надежных результатов производят в теплое время года (май - октябрь) в средней полосе СССР. К измеренному значению удельного сопротивления грунта в зависимости от состояния грунта и от количества осадков вводятся поправочные коэффициенты к, учитывающие изменение вследствие высыхания и промерзания грунта, т. е. Р расч =Р к

4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода R в.о. формулам табл. 8-3. Эти формулы даны для стержневых электродов из круглой стали или труб.

При применении вертикальных электродов из угловой стали в формулу вместо диаметра трубы подставляется эквивалентный диаметр уголка, вычисленный по выражению

(8-15)

где b - ширина сторон уголка.

5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования

(8-16)

где R в.о. - сопротивление растеканию одного вертикального электрода, определенное в п. 4; R и - необходимое сопротивление искусственного заземлителя; К и,в,зм - коэффициент использования вертикальных заземлителей.

Таблица 8-2

Значение повышающего коэффициента к для различных климатических зон

Коэффициенты использования вертикальных заземлителей даны в табл. 8-4 при расположении их в ряд и в табл. 8-5 при размещении их по контуру

6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов Rг по формулам табл. 8-3. Коэффициенты использования горизонтальных электродов для предварительно принятого числа вертикальных электродов принимаются по табл. 8-6 при расположении вертикальных электродов в ряд и по табл. 8-7 при расположении вертикальных электродов по контуру.

7. Уточняется необходимое сопротивление вертикальных электродов с учетом проводимости горизонтальных соединительных электродов из выражений

(8-17)

где R г - сопротивление растеканию горизонтальных электродов, определенное в п.6; R и - необходимое сопротивление искусственного заземлителя.

Таблица 8-3

Формулы для определения сопротивления растеканию тока различных заземлителей

Таблица 8-4

Коэффициенты использования вертикальных заземлителей, К и,в,зм, размещенных в ряд, без учета влияния горизонтальных электродов связи

Таблица 8-5

Коэффициенты использования вертикальных заземлителей, К и,в,зм, размещенных по контуру, без учета влияния горизонтальных электродов связи

Таблица 8-6

Коэффициенты использования К и,г,зм горизонтальных соединительных электродов, в ряду из вертикальных электродов

Таблица 8-7

Коэффициенты использования К и,г,зм вертикальных соединительных электродов в контуре из вертикальных электродов

8. Уточняется число вертикальных электродов с учетом коэффициентов использования по табл. 8-4 и 8-5:

Окончательно принимается число вертикальных электродов из условий размещения.

9. Для установок выше 1000 В с большими токами замыкания на землю проверяется термическая стойкость соединительных проводников по формуле (8-11).

Пример 1 . Требуется рассчитать контурный заземлитель подстанции 110/10 кВ со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 110 кВ - 3,2 кА, наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 10 кВ - 42 А; грунт в месте сооружения подстанции - суглинок; климатическая зона 2; дополнительно в качестве заземления используется система тросы - опоры с сопротивлением заземления 1,2 Ом.

Решение 1. Для стороны 110 кВ требуется сопротивление заземления 0,5 Ом, Для стороны 10 кВ по формуле (8-12) имеем:

где расчетное напряжение на заземляющем устройстве U расч принято равным 125 В, так как заземляющее устройство используется также и для установок подстанции напряжением до 1000 В.

Таким образом, в качестве расчетного принимается сопротивление rзм = 0,5 Ом.

2.Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использования системы тросы-опоры

3. Рекомендуемое для предварительных расчетов удельное сопротивление грунта в месте сооружения заземлителя (суглинка) по табл. 8-1 составляет 1000 Ом м. Повышающие коэффициенты к для горизонтальных протяженных электродов при глубине заложения 0,8 м равны 4,5 и соответственно 1,8 для вертикальных стержневых электродов длиной 2 - 3 м при глубине заложения их вершины 0,5 - 0,8 м.

Расчетные удельные сопротивления: для горизонтальных электродов Р расч.г = 4,5х100 = 450 Ом м; для вертикальных электродов расч.в= 1,8х100 = 180 Ом м.

4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода - уголка № 50 длиной 2,5 м при погружении ниже уровня земли на 0,7 м по формуле из табл. 8-3:

где d= d y,эд= 0,95; b = 0,95x0,95 = 0,0475 м; t =0,7 + 2,5/2 = 1,95 м;

5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования К и,в,зм = 0,6:

6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов (полосы 40х4 мм 2), приваренных к верхним концам уголков. Коэффициент использования соединительной полосы в контуре К и,г,зм при числе уголков примерно 100 и отношении a/l = 2 по табл. 8-7 равен 0,24. Сопротивление растеканию полосы по периметру контура (l = 500 м) по формуле из табл. 8-3 равно:

7. Уточненное сопротивление вертикальных электродов

8. Уточненное число вертикальных электродов определяется при коэффициенте использования К и, г, зм = 0,52, принятом из табл. 8-5 при n = 100 и a/l = 2:

Окончательно принимается 116 уголков.

Дополнительно к контуру на территории устраивается сетка из продольных полос, расположенных на расстоянии 0,8-1 м от оборудования, с поперечными связями через каждые 6 м. Дополнительно для выравнивания потенциалов у входов и въездов, а также по краям контура прокладываются углубленные полосы. Эти неучтенные горизонтальные электроды уменьшают общее сопротивление заземления, проводимость их идет в запас надежности.

9. Проверяется термическая стойкость полосы 40 × 4 мм 2 .

Минимальное сечение полосы из условий термической стойкости при к. з. на землю в формуле (8-11) при приведенном времени протекания тока к. з. tп = 1,1 равно:

Таким образом, полоса 40 × 4 мм 2 условию термической стойкости удовлетворяет.

Пример 2 . Требуется рассчитать заземление подстанции с двумя трансформаторами 6/0,4 кВ мощностью 400 кВА со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыкании на землю на стороне 6 кВ 18 А; грунт в месте сооружения - глина; климатическая зона 3; дополнительно в качестве заземления используется водопровод с сопротивлением растеканию 9 Ом.

Решение. Предполагается сооружение заземлителя с внешней стороны здания, к которому примыкает подстанция, с расположением вертикальных электродов в один ряд длиной 20 м; материал - круглая сталь диаметром 20 мм, метод погружения - ввертывание; верхние концы вертикальных стержней, погруженные на глубину 0,7 м, приварены к горизонтальному электроду из той же стали.

1. Для стороны 6 кВ требуется сопротивление заземления, определяемое формулой (8-12):

где расчетное напряжение на заземляющем устройстве принято равным 125 В, так как заземляющее устройство выполняется общим для сторон 6 и 0,4 кВ.

Согласно ПУЭ сопротивление заземления не должно превышать 4 Ом. Таким образом, расчетным является сопротивление заземления rзм = 4 Ом.

2. Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использования водопровода в качестве параллельной ветви заземления

3. Рекомендуемое для расчетов сопротивление грунта в месте сооружения заземления (глина) по табл. 8-1 составляет 70 Ом*м. Повышающие коэффициенты к для 3-й климатической зоны по табл. 8-2 принимаются равными 2,2 для горизонтальных электродов при глубине заложения 0,7 м и 1,5 для вертикальных электродов длиной 2-3 м при глубине заложения их верхнего конца 0,5-0,8 м.

Расчетные удельные сопротивления грунта:

для горизонтальных электродов Р расч.г = 2,2 × 70 = 154 Ом*м;

для вертикальных электродов Р расч.в = 1,5х70 = 105 Ом*м.

4. Определяется сопротивление растеканию одного стержня диаметром 20 мм, длиной 2 м при погружении ниже уровня земли на 0,7 м по формуле из табл. 8-3:

5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования К и. г. зм = 0,9

6. Определяется сопротивление растеканию горизонтального электрода из круглой стали диаметром 20 мм, приваренного к верхним концам вертикальных стержней.

Коэффициент использования горизонтального электрода в ряду из стержней при числе их примерно 6 и отношении расстояния между стержнями к длине стержнями a/l = 20/5х2 = 2 в соответствии с табл. 8-6 принимается равным 0,85.

Сопротивление растеканию горизонтального электрода определяется по формуле из табл. 8-3 и 8-8:

Таблица 8-8

Коэффициенты повышения сопротивления по отношению к измеренному удельному сопротивлению грунта (или сопротивлению заземления) для средней полосы СССР

Примечания:1) к 1 применяется, если измеренная величина Р (Rх) соответствует примерно минимальному значению (грунт влажный - времени измерений предшествовало выпадение большого количества осадков);

2) к2 применяется, если измеренная величина Р (Rх) соответствует примерно среднему значению (грунт средней влажности - времени измерений предшествовало выпадение небольшого количества осадков);

3) к3 применяется, если измеренная величина Р (Rх) соответствует примерно наибольшему значению (грунт сухой - времени измерений предшествовало выпадение незначительного количества осадков).

7. Уточненное сопротивление растеканию вертикальных электродов

8. Уточненное число вертикальных электродов определяется при коэффициенте использованияК и. г. зм= 0,83, принятом из табл. 8-4 при n = 5 и a/l= 20/2х4 = 2,5 (n = 5 вместо 6 принято из условия уменьшения числа вертикальных электродов при учете проводимости горизонтального электрода)

Окончательно принимается четыре вертикальных стержня, при этом сопротивление растеканию несколько меньше расчетного.

Выдержка из Справочника по электроснабжению промышленных предприятий

под общей редакцией А. А. Федорова и Г. В. Сербиновского

Обустроенное заземление встречается сегодня практически в каждом доме. И это неудивительно, так как оно обеспечивает безопасную работу электрооборудования и непосредственно проводки. В этой статье поговорим о таком важном элементе, как заземлитель.

Известно, что без такого элемента конструкция заземления не может существовать, и уж тем более выполнять поставленные задачи.

Заземлитель - металлический проводник или армированный штырь, вкопанный на нужную глубину в грунт. Он может работать одиночно или в комплексе с другими электродами, например, в треугольном контуре. Перед этим элементом стоит основная функция контактировать с высоковольтным электричеством, однако нельзя судить о его оптимальной функциональности, если не определено сопротивление.

Горизонтальный и вертикальный заземлители

Обратите внимание! Сопротивление заземлителя должно быть очень низким. Только так можно рассчитывать на полноценную защиту домашней электрической цепи.

Определившись с вопросом, что называется заземлителем перейдем к изучению его видов.

Виды заземлителей: тонкости их использования

Каждый вид электрода имеет конкретное назначение, которое мы и рассмотрим:

• Глубинный заземлитель - конструкция, предусматривающая сложный монтаж, но имеющая массу преимуществ. Из особенностей такого вида электродов, можно выделить, что их монтаж занимает значительно меньше места, чем стандартный контур заземления. Доказана эффективность этого проводника в местах с наименьшим удельным сопротивлением почвы. На сегодняшний день, в нормативных актах прописывается, что можно применять подобный элемент в подвале и цокольном этаже.

Важно! Проводить монтаж глубинного заземлителя стоит исключительно при помощи буровых установок.

Для домашних условий идеальным решением остается использование вертикальных заземлителей, чего не скажешь о промышленном направлении. Здесь, наоборот целесообразна установка анодного электрода. Его применяют для защиты трубопроводов и подземных сооружений. По сути материал достаточно надёжный и устойчив к воздействию коррозии.

Особенности электролитического заземления

Данная разновидность заземления эффективно используется в местах песчаной, вечномерзлой и каменистой почвы. Также в условиях, где грунт имеет высокое удельное сопротивление и требуется специальное оборудование для установки обычных электродов.

Важно! Используя стандартные электроды для устройства контура заземления в песчаной и других типах почвы с высоким сопротивлением, вам придется установить их множество (порядка 100).

Немного о достоинствах электролитического заземления

Полушаровый заземлитель

На самом деле, как и штыревое заземление, электролитическое обладает некоторыми весьма важными достоинствами.

1. Этот тип электродов обеспечивает минимальное сопротивление грунту, примерно до 10 раз меньше в отличие от традиционных заземлителей.
2. Выполняется из специальной смеси, предшествующей образованию коррозии.
3. Имеет длительный срок службы. Если стальной электрод заземления служит около 5-7 лет, то электролитический порядка 50.
4. Не требует большой глубины для установки, достаточно вмонтировать заземлитель на полметра.

Принцип работы электрода

Главным элементом данного типа заземления считается труба Г-образной формы. Она вбивается на определенную глубину, которая предварительно заполняется смесью из минеральных солей. Вещество впитывает воду из окружающего грунта, создавая при этом выщелачивание, вследствие чего образуется электролит. Затем этот же электрод проникает в почву, увеличивая ее токопроводимые свойства. Удельное сопротивление снижается, и как следствие уменьшается промерзание почвенного слоя.

Часто после окончания изготовления проекта, происходит подтаивание грунта рядом с строением. К сожалению, это очень опасно для фундамента и грозит осадкой дома. Поэтому электрики рекомендуют при проектировании электролитического заземления учитывать фактор повреждения зданий, а, следовательно, требуют отдалятся от мест застройки.

В условиях сильного промерзания почвы принято использовать горизонтальные электроды. Они являются доступными и простыми в монтаже. Однако, при любой возможности работать буровым оборудованием, лучше всего установить вертикальный заземлитель.

Заземлитель с омедненным наконечником

Как проверить электрод?

Заземлители электролитического типа требуют регулярной проверки на работоспособность. Проводят его обслуживание однажды в 2-3 года. Здесь важно определить превратилась ли смесь в электролит. Если электролит образовался, проводят замену смеси, то есть добавляют новый состав солей. Аналогично проверяется каждый электрод, если он не один. Таким образом, установка будет служить еще несколько лет.

Важно! Достаточно заправить электрод минеральными солями высокого качества, и он прослужит порядка 10-15 лет. Но пренебрегать регулярным обслуживанием нельзя.

Групповой и одиночный заземлитель: характеристики

Каждый отдельный тип заземлителя либо электрода имеет свои характеристики, которые важно учитывать при проектировании контура заземления. Рассмотрим каждый из них с подобранностями:

Смотрите схемы заземлителей с условными обозначениями ниже.

Что такое коррозия и какие несет последствия для заземлителей?

Еще со школьной скамьи, а именно из уроков географии мы знаем, что коррозия - это природное разрушительное воздействие на металлические предметы и их оболочки, которые длительно находятся в земле. Чаще всего такой дефект материала происходит в местах повышенной влажности.

Обычно коррозия возникает после 9-10 лет использования металлической конструкции, и несет определенные последствия для заземляющего устройства. Например, большие повреждения контура заземления плюс наличие ржавчины влечет за собой увеличение сопротивления.

Важно! В зоне, где имеется риск скорейшего возникновения коррозии, целесообразно использовать материалы для сооружения контура заземления из нержавеющей стали.

Случается, когда коррозия проникает и под оболочку заземляющего проводника, ведущего к основному электрическому щитку или трансформатору. В подобной ситуации опытные электрики рекомендуют использовать антикоррозийную смазку. Иногда места соединений обрабатывают

Заземление - ценное сооружение, защищающее владельцев домашней техники от непосредственного контакта с весьма полезным, но крайне ретивым потоком электроэнергии. Заземляющее устройство обеспечит безопасность при «отгорании» нуля, что нередко случается на загородных ЛЭП при шквальном ветре. Оно исключит риски поражений при утечках на нетоковедущие металлические детали и корпус из-за прохудившейся изоляции. Сооружение защитной системы – мероприятие, не требующее сверх усилий и супер вложений, если грамотно сделан расчет заземления. Благодаря предварительным вычислениям будущий исполнитель сможет определиться с предстоящими расходами и с целесообразностью предстоящего дела.

Строить или не строить?

В уже изрядно забытую пору скудного количества бытовых электроприборов владельцы частных домов редко «баловались» устройством заземления. Считалось, что с задачей отведения утечки электричества превосходно справятся естественные заземлители, такие как:

• стальные или чугунные трубопроводы, если вокруг них не уложена изоляция, т.е. имеется непосредственный плотный контакт с почвой;
• стальная обсадка водяной скважины;
• металлические опоры оград, фонарей;
• свинцовая оплетка подземных кабельных сетей;
• арматура фундаментов, колонн, ферм, заглубленных ниже горизонта сезонного промерзания.

Обратите внимание, что алюминиевая оболочка подземных кабельных коммуникаций не может использоваться в качестве элемента заземления, т.к. покрыта антикоррозионным слоем. Защитное покрытие препятствует рассеиванию тока в грунте.

Оптимальным естественным заземлителем признан стальной водопровод, проложенный без изоляции. Благодаря значительной протяженности минимизируется сопротивление току растекания. К тому же наружный водопровод укладывают ниже отметки уровня сезонного промерзания. Значит, на параметры сопротивления не будут влиять морозы и засушливая летняя погода. В эти периоды уменьшается влажность грунта, и, как следствие, увеличивается сопротивление.

Стальной каркас подземных железобетонных конструкций может служить элементом системы заземления, если:

• с глинистым, суглинистым, супесчаным и влажным песчаным грунтом контактирует достаточная по нормам ПУЭ площадь;
• в период сооружения фундамента арматура в двух или более местах была выведена на дневную поверхность;
• стальные элементы данного естественного заземления были соединены между собой сваркой, а не проволочной связкой;
• сопротивление арматуры, играющей роль электродов, рассчитано согласно требованиям ПУЭ;
• установлена электрическая связь с заземляющей шиной.

Без соблюдения перечисленных условий подземные ж/б сооружения не смогут выполнить функцию надежного заземления.

Из всего набора вышеперечисленных естественных заземлителей расчетам подлежат только подземные ж/б конструкции. Точно вычислить сопротивление растеканию тока трубопроводов, металлической брони и каналов подземных силовых сетей не представляется возможным. Особенно если их прокладка осуществлялась пару десятилетий назад, и поверхность существенно изъедена коррозией.

Эффективность естественных заземлителей определяется путем банальных измерений, для производства чего нужно вызвать сотрудника местной энергослужбы. Показания его прибора подскажут, нужен или нет владельцу загородной собственности повторный заземляющий контур в качестве дополнения к существующим мерам заземления, выполненным компанией-поставщиком электроэнергии.

При наличии на участке естественных заземлителей с соответствующими нормам ПУЭ значениями сопротивления, устраивать защитное заземление нецелесообразно. Т.е. если прибор «агента» энергоуправления показал меньше 4 Ом, организацию контура заземления можно отложить «на потом». Однако лучше перестраховаться и предупредить вероятные риски, для чего и сооружается искусственное заземляющее устройство.

Расчеты для устройства искусственного заземления

Нужно признаться, что досконально рассчитать устройство заземления сложно, практически невозможно. Даже в среде профессиональных электриков практикуется метод приблизительного подбора количества электродов и расстояний между ними. Слишком много природных факторов влияет на результат работы. Уровень влажности нестабилен, зачастую доподлинно не исследована фактическая плотность и удельное сопротивление грунта и т.д. Из-за чего в конечном итоге сопротивление устроенного контура или единичного заземлителя отличается от расчетного значения.

Эту разницу выявляют посредством тех же измерений и корректируют путем установки дополнительных электродов или путем наращивания длины единичного стержня. Однако от предварительных расчетов отказываться не стоит, потому что они помогут:

• исключить или сократить дополнительные затраты на приобретение материала и рытье ответвлений траншей;
• выбрать оптимальную конфигурацию системы заземления;
• составить план действий.

Для облегчения непростых и довольно запутанных расчетов разработано несколько программ, но для того чтобы грамотно ими воспользоваться пригодятся знания о принципе и порядке вычислений.

Составляющие защитной системы

Система защитного заземления представляет собой комплекс заглубленных в грунт электродов, соединенных электрической связью с заземляющей шиной. Основными ее составляющими являются:

• один или несколько металлических стержней, передающих ток растекания земле. Чаще всего в качестве их применяются вертикально забитые в грунт отрезки длинномерного металлопроката: трубы, равнополочного уголка, круглой стали. Реже функцию электродов выполняют горизонтально зарытые в траншею трубы или листовая сталь;
• металлическая связь, соединяющая группу заземлителей в функциональную систему. Зачастую это горизонтально расположенный заземляющий проводник из полосы, уголка или прутка. Его приваривают к верхушкам заглубленных в грунт электродов;
• проводник, соединяющий расположенное в земле заземляющее устройство с шиной, а через нее с защищаемой техникой.

Две последних составляющих носят общее название – «заземляющий проводник» и, по сути, выполняют одну и ту же функцию. Разница заключается в том, что металлическая связь между электродами расположена в земле, а проводник, подключающий заземление к шине, находится на дневной поверхности. Отсюда разные требования к материалам и коррозионной устойчивости, а также разброс в их стоимости.

Принципы и правила вычислений

Совокупность электродов и проводников, именуемая заземлением, устанавливается в грунт, который является непосредственным компонентом системы. Потому в расчетах его характеристики принимают непосредственное участие наравне с подбором длины элементов искусственного заземления.

Алгоритм расчетов прост. Производятся они согласно имеющимся в ПУЭ формулам, в которых есть переменные единицы, зависящие от решения самостоятельного мастера, и постоянные табличные значения. Например, приблизительная величина сопротивления грунта.

Определение оптимального контура

Грамотный расчет защитного заземления начинается с выбора контура, который может повторять любую из геометрических фигур или обычную линию. Выбор этот зависит формы и размеров площадки, имеющейся в распоряжении мастера. Удобней и проще соорудить линейную систему, потому что для установки электродов потребуется вырыть только одну прямую траншею. Но расположенные в один ряд электроды будут экранировать, что неизбежно отразиться на токе растекания. Потому при расчетах линейного заземления в формулы вводится поправочный коэффициент.

Самой востребованной схемой для самостоятельного признают треугольник. Расположенные в вершинах его электроды при достаточном удалении друг от друга не мешают принятому каждым из них току свободно рассеиваться в земле. Трех металлических стержней для устройства защиты частного дома считают вполне достаточным количеством. Главное их правильно расположить: забить в грунт металлические стержни нужной длины на эффективном для работы расстоянии.

Расстояния между вертикальными электродами должны быть равными, независимо от конфигурации системы заземления. Расстояние между двумя соседними стержнями не должно быть равно их длине.

Выбор и расчет параметров электродов и проводников

Основными рабочими элементами защитного заземления являются вертикальные электроды, потому что рассеивать утечки тока придется именно им. Длина металлических стержней интересна, как с точки зрения эффективности защитной системы, так и с точки зрения металлоемкости и цены материала. Расстояние между ними определяет длину компонентов металлической связи: опять же расход материала для создания заземляющих проводников.

Обратите внимание, что сопротивление вертикальных заземлителей зависит преимущественно от их длины. Поперечные размеры несущественно влияют на эффективность. Однако величина сечения нормируется ПУЭ ввиду необходимости создать износостойкую защитную систему, элементы которой не менее 5-10 лет будут постепенно разрушаться коррозией.

Выбираем оптимальные параметры, учитывая, что лишние расходы нам вовсе не к чему. Не забываем, что чем больше метров металлопроката мы загоним в землю, тем больше пользы мы получим от контура. Метры «набрать» можно либо увеличивая длину стержней, либо увеличивая их количество. Дилемма: установка многократных заземлителей заставит изрядно потрудиться на поприще землекопа, а забивание длинных электродов кувалдой вручную превратит в крепкого молотобойца.

Что лучше: численность или длина, выберет непосредственный исполнитель, но существуют правила, согласно которым определяется:

• длина электродов, потому что заглубить их нужно ниже горизонта сезонного промерзания как минимум на полметра. Так нужно, чтобы работоспособность системы не слишком страдала сезонных факторов, а также от засух и дождей;
• расстояние между вертикальными заземлителями. Оно зависит от конфигурации контура и от длины электродов. Определить его можно по таблицам.

Отрезки металлопроката по 2,5-3 метра забивать кувалдой в землю трудно и неудобно даже с учетом того, что их 70 см будет погружено в заранее вырытую траншею. Рациональной длинной заземлителей считают 2,0м с вариациями вокруг этой цифры. Не забудьте, что длинные отрезки металлопроката нелегко и весьма накладно будет доставить на объект.

Грамотно экономим на материале

Уже упоминалось, что от сечения металлопроката мало что зависит, кроме цены материала. Разумней купить материал с наименьшей возможной площадью сечения. Без длительных рассуждений приведем наиболее экономичные и устойчивые к ударам кувалды варианты, это:

• трубы с внутренним диаметром 32 мм и толщиной стенки 3 и более мм;
• равнополочный уголок со стороной 50 или 60 мм и толщиной 4-5 мм;
• круглая сталь с диаметром 12-16 мм.

Для создания подземной металлической связи лучше всего подойдет стальная полоса толщиной 4 мм или 6миллиметровый пруток. Не забываем, что горизонтальные проводники нужно приварить к вершинам электродов, потому к выбранному нами расстоянию между стержнями прибавим еще по 20 см. Надземный участок заземляющего проводника можно сделать из 4миллиметровой стальной полосы шириной 12 мм. Вывести на щиток его можно от ближайшего электрода: так и копать меньше придется, и материал сэкономим.

А вот теперь непосредственно формулы

С формой контура и с размерами элементов мы определились. Теперь можно загнать требующиеся параметры в специальную программу для электриков или воспользоваться приведенными ниже формулами. В соответствии с типом заземлителей выбираем формулу для производства расчетов:

Или воспользуемся универсальной формулой для расчета сопротивление одного вертикального стержня:

Для вычислений потребуются вспомогательные таблицы с приблизительными значениями, зависящими от состава грунта, его усредненной плотности, способности удерживать влагу и от климатической зоны:

Рассчитаем количество электродов, не учитывая значение сопротивления заземляющего горизонтального проводника: